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植物生理群文献分享（2016年6月 总第39期）
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植物生理群文献分享（2016年6月 总第39期） Release of GTP Exchange Factor Mediated Down-Regulation of Abscisic Acid Signal Transduction through ABA-Induced Rapid Degradation of RopGEFs Zixing Li, Rainer Waadt1, Julian I. Schroeder PLoS Biol 2016 14(5): e1002461 ABA 是一个对于植物生长发育和非生物压力应激非常重要的植物激素。ABA能够被类ABA（PYL/RCAR）受体结合，从而能够形成一个ABA-PYL/RCAR-PP2C的复合体。这种结合就会抑制PP2C去磷酸酶活性，从而释放了下游因为受到PP2C去磷酸化而被抑制活性的SnRK2激酶。这样就激活了由SnRK2激酶调节下游转录因子和离子通道，从而对ABA做出反应。 最近的生化结构研究显示，即使在没有ABA的情况下，PYL/RCARs受体也会结合PP2C，从而抑制PP2C活性。这种结合理论上讲也就是说，在植物细胞内会可能存在一种“泄露（leaky）”的ABA信号途径，而这又显然是与现实不符的。那么就只可能在细胞内还有另一种机制，能够防止这种“泄露”的ABA信号途径。这篇文章就第一次揭示这种原来还存在于理论中的信号途径：GEF-ROP-PP2C。 之前的研究已经显著ROP11与ABA信号途径有关，但是ABA是如何调控ROP蛋白活性仍然未知。作者首先假设ABA可能通过影响GEF蛋白（ROP蛋白的激活蛋白）来调控ROP蛋白。然后他们就发现，在ABA处理之前，GFF蛋白主要在细胞边缘和细胞之中，但是在ABA处理之后，GEF1蛋白就进入了液泡前体（prevacuolar compartment）中。而一般来说蛋白进入液泡前体之后，就会进入液泡，最终被储存或是降解。通过western blot他们发现，在ABA处理之后，GEF1蛋白会迅速被降解。 为了研究ABA究竟是如何导致GEF蛋白降解的，他们通过酵母双杂实验发现，GEF能够和PP2Cs蛋白互作（包括ABI1，ABI2，HAB1和PP2CA），而这种互作关系被体外pull-down和BiFC进一步确认。这种互作的存在让作者推测，ABA是通过PP2C蛋白对GEF进行调控的。当他们将GEF1表达在PP2C的四突变体（abi1/abi2/hab1/pp2ca）中，他们看到与ABA处理过的类似的表型，GEF1蛋白被极大的降解了，即使没有进行过ABA的处理。这说明，在野生型中，在没有ABA的情况在，PP2C蛋白与GEF1的结合，能够防止其被降解。 在ABA处理后，通过对种子萌发率和根长的研究，他们发现过量表达GEF1能够部分抑制PP2C四突变体（abi1/abi2/hab1/pp2ca）对于ABA信号的反应。并且多突变体gef1/4/10/14对于ABA超敏感应激，更进一步证明了GEF1是一个ABA的反向调控因子。 总的说来，这篇文章第一次解释了在没有ABA的情况下，植物细胞是如何抑制ABA信号途径的激活泄露的。之前研究显示ROP11可以直接和PP2C（ABI1）蛋白结合，从而激活其活性，抑制下游信号。而这篇文章完整了这个回路，被激活释放的ABI1能够与GEF1结合，从而保护其不被降解。进而被保护的GEF1又能够激活ROP11，再次释放PP2C。这种积极的信号途径就保证了在ABA没有的情况下，PP2C不会被ABA受体结合，产生信号泄露。(Sun分享) Chitosan Mediates Germling Adhesion in Magnaporthe oryzae and Is Required for Surface Sensing and Germling Morphogenesis. Geoghegan IA, Gurr SJ PLoS Pathog. 2016 Jun 17;12(6):e1005703. 脱乙酰几丁质调控稻瘟病菌孢子粘附过程，与表层感知和形态学特征关联性的研究 摘要 真菌细胞壁不仅在保持细胞完整性起到重要作用，而且形成了真菌与外界环境间的界面。细胞壁的组成成分因此也影响了真菌与自身物理和生物学因素间的关系。几丁质是细胞壁多聚糖的主要组成成分之一，可以被脱乙酰作用所修饰。这种反应被几丁质脱乙酰酶（CDAs）所催化，从而产生脱乙酰几丁质（葡萄糖胺聚合物）。前人已经证实，脱乙酰几丁质会在植物致病菌的侵染结构中积累。一直被认为是完整侵染所必须的秘密分子。本文作者以植物致病菌和稻瘟病菌特征性组织来证实此猜想。首先，证明了脱乙酰几丁质位于萌发管和附着胞上，然后敲掉了CDA基因。被敲基因的孢子表现出缺乏几丁质脱乙酰作用，进一步影响了孢子的粘附和形成附着胞能力。意外的是，外生脱乙酰几丁质可以修复孢子的附着和附着胞的发育能力。突变体除了在人工表面附着胞不能发育外，致病能力并不受到影响。进一步的实验表面，在附着胞的发育过程中，植物角质膜蜡质的孢子可以不需要脱乙酰几丁质。说明脱乙酰几丁质并不是秘密分子，缺控制孢子的附着作用，从而感知物理刺激促进附着胞的发育。本研究发现了脱乙酰几丁质在致病菌中的新作用，并且进一步阐释了稻瘟病附着胞发育机制。（Red分享） Quantitative Control of Organ Shape by Combinatorial Gene Activity Min-Long Cui, Lucy Copsey, Amelia A. Green, J. Andrew Bangham, Enrico Coen PLoS Biol. 2010 Nov 9;8(11):e1000538 Abstract：器官特殊形态的发育依赖于局部组织的转录因子和信号分子的活性。但是这些分子活性与形态发生事件之间关联的机制尚不明确。本文通过结合实验性的和计算机的方法在金鱼草上研究一组控制花形状的基因。4个已知的转录因子在金鱼草的花形状和不对称性中发挥重要作用。本文通过定量分析形状的方法研究这些转录因子突变体中潜在的有关形状变异的主要因素。本文提出每一个转录因子在花的形状和大小中都具有一个特定的作用，改变花在形态空间的位置。这些改变通过双突和异位表达进行了进一步分析。通过整合基因表达模式和相互作用这些观察结果，本文提出一个从遗传上局部作用对形状的控制方案。该方案通过合并预设的相互作用到一个生长模型，发展中的花根据基因修改部位的极性和生长速率有控制的生长。根据模型方案长出的花瓣形状与无数的实验性的花瓣在数量上匹配，因此验证了该设定模型方案。本文展现复杂的形状是如何在转录因子对局部生长特性的组合作用下形成的。该发现不仅表明形状是如何发育的，而且提出在转录因子和目标修改时可能会如何进化。 Introduction: 介绍了基因活性对器官形成的分子机制的研究很少，以及研究的困难。实验方法及选材的考虑依据、意义。金鱼草的花冠corolla由顶部的2个背dorsals和3个底部的侧laterals and 腹ventral构成，侧翼靠近形成一个tube花管，末梢区域形成5个lobes波瓣，顶部及底部的侧翼被精确配置在tube花管和lobes波瓣之间，取名rim，整个结构形成一个闭口的边缘。独特的顶部和底部花瓣形状依赖于4个背腹侧的基因：CYC/DICH/RAD/DIV（前3个背，最后一个腹）。CYC和DICH编码TCP转录因子，在花芽的背部dorsal区域发育的早期阶段表达。RAD和DIV编码类MYB转录因子，RAD的激活通过CYC和DICH并促进背部dorsal的特异性，DIV在底部花瓣中活跃并促进腹ventral的特异性。DIV首先是在整个花冠corolla中表达，RAD被认为对DIV有拮抗作用，阻止DIV在背dorsal中表达。在发育后期，DIV的表达受限制在侧lateral和腹ventral。 发育生物学的一个重要的挑战是研究基因活性模型是怎样翻译成复杂的三维立体结构，比如心、翅膀、花。解决这个问题不容易，尤其困难在定量基因在形状中的作用，以及缺少假设潜在机制的框架。本文通过结合实验性的和计算机的方法，利用金鱼草的花作为模式系统。通过定量一系列突变体（降低或增加某些特定基因的活性）花的形状，本文提出复杂的花形状是如何依赖基因在每一个花瓣区域的结合作用方式。假定的相互作用通过合并入一个花生长的计算模型。定量比较显示实验和模型的一致性，验证了本文的假说。金鱼草的花（顶部和底部花瓣的紧密特点）已进化为特殊的机制来定位授粉者。本文提出在生长发育和进化中如此构造的出现是如何通过天然修补基因的局部效应完成的。（Lillian分享） Bridging meta-analysis and the comparative method: a test of seed size effect on germination after frugivores' gut passage. Oecologia. 2004 Feb;138(3):414-8 结合Meta分析和比较法分析种子大小对经过食果动物肠道的种子萌发的影响 大部分研究采用Meta分析试图建立来自种间数据库的类群的特性间的关系，因此，应该考虑到这些类群的种系遗传关系以避免来自同一祖先的伪重复。 这篇文章用一个代表性的例子（即种子大小和食果动物肠道对种子萌发作用的关系）阐明，meta分析程序也能够通过比较法被系统发生地修正。 通过meta分析法和种系遗传法获得的结论是截然不同的。 Meta分析发现，在种子通过鸟类肠道的情况下，肠道对种子萌发的积极影响随着种子大小而增加，然而在种子通过不能飞的哺乳动物肠道的情况下，肠道对种子萌发的积极影响随着种子大小而下降。 然而，一旦把植物物种的种系遗传关系考虑进来，肠道对种子萌发的影响不取决于种子大小，并且鸟类肠道和不能飞的哺乳动物肠道对种子萌发的影响类似。 探讨了一些方法学的考量以提高meta分析和比较法的联合。（melodysese分享） Overexpression of a pH-sensitive nitrate transporter in rice increases crop yields Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Jun 28;113(26):7118-23. 植物从培养环境中吸收的氮源有NH4+, NO3-及amino acid，在同时具有以上氮源的同状下，吸收顺序如上排列顺序，但是，NH4+吸收过量会对植物细胞造成毒害，拟南芥中的AMT1:3对拟南芥吸收NH4+进行调控。植物对NO3-的吸收与转运主要是通过NRT进行的。水稻中的OsNRT2.3基因具有两个转录本，分别为OsNRT2.3a和OsNRT2.3b，a的表达产物比b的多30氨基酸残基，其中a主要表达在根部，b则在韧皮部。TEVC实验证明b具有pH敏感特性:细胞质当细胞质内的pH下降到7.25后，其不具有转运活性。生物信息学分析表明，位于b细胞质的一段motif对其pH-sensitive具有关键性的作用。当突变其中的H167R后，b-H167R则不具有pH-sensitive。当过表达b后，发现能显著提高水稻的氮素利用效率:正常施氮（300kg/ha）时，提高40%，75kg/ha时，提高80%。而且过表达后水稻韧皮部液的pH值也降低了，促进了更多的Fe和P向叶片转运，促进了C的代谢，同时也降低了光呼吸作用水稻每穗粒数、结实率等都得到提高。大田实验证明过表达b能显著提高水稻的产量。（lianfang1107分享） A new synthetic biology approach allows transfer of an entire metabolic pathway from a medicinal plant to a biomass crop Paulina Fuentes, Fei Zhou, Alexander Erban, Daniel Karcher, Joachim Kopka, and Ralph Bock eLife 2016;5:e13664 来自eLife的一篇关于在烟草中构建青蒿酸代谢通路的文章。 青蒿素是一种重要的抗疟疾天然产物，去年屠老师因为对青蒿素提取的贡献获得了炸药奖。由于在原产植物黄花蒿中，青蒿素含量较低，使得这种重要的天然产物难以便宜的大规模获得。因此，利用合成生物学技术构建青蒿素或其前体代谢通路，是一个研究热点，并已取得一些进展。但。2003年，Martin在大肠杆菌中构建代谢通路产生青蒿素前体紫穗槐-4，11-二烯（Nature Biotechnology, 2003, 21: 796-803）。Ro等在酵母中构建了青蒿酸代谢通路（Nature, 2006, 440: 940-943）。在植物中，青蒿素前体合成通路已经成功构建在烟草与土豆中（Plant Biotechnology Journal, 9, 445-454, 2011；Nature Biotechnology, 24, 1441-1447, 2006）。但是，在这些体系中青蒿素前体产量仍不能令人满意，难以达到大规模商业化应用的水平。 青蒿素是倍半萜类化合物，主要通过甲羟戊酸途径合成，FPS, ADS, CYP与 CPR等基因构成了主要催化途径，同时，一些基因也通过未彻底阐明的机制，如CYB5, ADH1, ALDH1 与DBR2，可以促进青蒿素生物合成。在传统的合成生物学工作中，由于不能转入所有这些基因，同时不能获得理想的基因表达水平与相互比例，青蒿素前体产量受到抑制。这篇文章，作者用了一个简单而巧妙地思路就绝这个问题。 首先，在这篇文章中，作者构建了同时包含FPS, ADS, CYP与 CPR四个基因，但顺序和翻译信号不同的四个不同载体pAO1-4，利用基因枪法转入烟草中，使得这条青蒿素前体主代谢通路转入叶绿体中，在这里作者选择将主代谢通路转入叶绿体，主要考虑到叶绿体中表达有相对高的基因表达水平，允许将不同基因在一个合成操纵子中叠加以及胞质遗传带来的遗传操作优势。在烟草获得青蒿酸代谢通路后，作者进行了限制性片段长度多态性分析，确认了整个操纵子成功转入烟草叶绿体，并检测获得了青蒿素含量达到2-4 mg/Kg鲜重的植株。 接下来，为了进一步提高青蒿酸产量，作者利用了一个新的遗传操作策略，COSTREL。作者同时构建了四个转基因质粒，分别包含CYB5, ADH1, ALDH1 与DBR2其中之一，将这四个质粒混合，转入上一步获得的烟草细胞核中，获得了大量的烟草转基因植株。接下来，在这些转基因植株中，筛选出了高产青蒿酸的植株，其产量达到120 mg/Kg 鲜重。作者利用这个策略，回避了实验设计时对不同基因表达水平的需求。四个质粒混合转入烟草，会获得不同表达组合与表达水平的一系列植株，通过对产物含量分析，自然可以获得拥有最高产量组合的植株。这个策略一方面可以获得高产植株，另一方面，也可以通过对高产植株分析，反推回对青蒿酸最有影响基因组合。（starseacow分享） |
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