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植物生理群文献分享（2015年8月 总第30期）
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植物生理群文献分享（2015年8月 总第30期） A vesicle-trafficking protein commandeers Kv channel voltage sensors for voltage-dependent secretion Christopher Grefen et al. Nature Plants, 2015:15108 DOI: 10.1038/NPLANTS.2015.108 介绍一篇来自Nature Plants关于SNARE蛋白的文章，本文为该杂志8月份封面文章。  在真核生物的细胞生长过程中，同时伴随着细胞体积的增加以及离子尤其是钾离子的流入以平衡渗透压。这两个生命过程很显然应该通过某种途经联系起来，以便生物体进行调控。但在过去几十年的探索中，没有令人满意的研究对这个机制给出解释。这篇文章中，作者基于过去二十年关于SNARE蛋白调控钾离子通道的研究成果，证明在植物中，SYP121与钾通道的相互作用，起到了将这两个生命过程联系起来的作用。 SNARE是真核细胞中一个大蛋白家族，在拟南芥中，共有63个成员，他们包括在目标膜上的Q-SNARE以及在转运膜上的R-SNARE。膜泡运输到目的地，与目标膜融合的过程取决于SNARE蛋白形成复合体。简单来讲，就是Q-SNARE与R-SNARE扭麻花一样扭在一起，将两个膜拉近并融合。基于SNARE在膜运输中的这种功能，他们参与了细胞中的很多生理活动。1999年，作者团队在寻找潜在的ABA受体过程中，意外发现SYP121参与调控跨膜离子电流（Leyman et al. 1999）。之后的二十年间，进一步的研究表明，SYP121可以直接和KC1与KAT1钾通道发挥相互作用，并促使这些通道更易于开放（在同样的膜电压下离子通道开放程度更高; Grefen et al. 2010）。同时，可以和SYP121形成SNARE复合体的VAMP721/722蛋白也被证明可以和钾通道直接发生相互作用，但产生相反的调控效果 (Zhang et al. 2015)。本文基于这些研究结果，深入研究这种相互作用是否参与协调离子吸收与细胞内膜转运。 本文首先利用酵母mbSUS与BiFC，证明在钾离子通道上，与SYP121发生相互作用的位点处于N端的电压感受域（voltage sensor domain；VSD），说明这种相互作用会影响钾通道对外界膜电压的反应。接下来，通过traffic rescue实验，作者证实VSD与SYP121的相互作用，也会影响基于SYP121的细胞内膜泡转运。为了进一步验证SYP121与钾通道的相互作用将离子运输与膜泡转运联系起来，作者选择了KC1 VSD上的两个突变体F129W以及D132E，前者使通道对电压更不敏感（更难开放），后者反之。蛋白相互作用以及traffic rescue实验表明，KC1F129W与SYP121相互作用较弱，而KC1D132E则较强。同时，对膜泡运输的影响也符合这个规律。最后，作者在拟南芥相关突变株中，验证了这些结果，从而最终证实SYP121与钾通道的相互作用，是协调植物细胞钾内流与膜泡运输的关键点 （starseacow分享）。 Negative regulation of ABA signaling by WRKY33 is critical for Arabidopsis immunity towards Botrytis cinerea 2100 Shouan Liu, Barbara Kracher, Jörg Ziegler, Rainer P Birkenbihl, Imre E Somssich eLife 2015;4:e07295 由灰霉病菌诱发的灰霉病是造成番茄及葡萄减产的重要病害之一。灰霉病菌可以感染多种植物，但不同植物的抗性不一，过去的研究表明一类转录因子WRKY33，参与调解对灰霉病菌的抗性。WRKY这样的转录因子，又称为反式作用因子, 是一类能与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性互作、对转录具有激活或抑制作用的 DNA结合蛋白。但是在对抗灰霉病菌的过程中WRKY33调解了哪些目的基因仍未知。在这篇文章中，作者利用基因芯片技术，在拟南芥中基因组水平寻找了WRKY33的潜在DNA结合位点。作者发现在灰霉菌处理以后，WRKY33参与结合调节1576个基因。通过比较wrky敲除与野生植株在灰霉菌处理下的不同，作者发现有约300个基因表达的蛋白水平在灰霉菌侵染下WRKY33调节，部分基因为已知的WRKY33目的基因，参与植物激素水平调节以及植保素camalexin的合成调节。制得注意的是，作者发现了参与ABA合成的基因NCED3与NCED5，在WRKY33的调解下受到抑制，提示降低ABA水平有助于抵抗灰霉病侵染。在wrky33敲除植株中较高的ABA水平支持这一推断。 这篇文章展示了在生物胁迫下植物防御反应系统的复杂性，一个简单的转录因子就参与调解大量的效应基因。另一方面，提示了ABA这样一个植物激素在生物胁迫中的特殊作用。（starseacow分享） PRC2 represses dedifferentiation of mature somatic cells in Arabidopsis Momoko Ikeuchi et al. Nature Plants 1, Article number: 15089 (2015) doi:10.1038/nplants.2015.89 植物成熟细胞的多功能性已被熟知已久，其“再/去分化（dediferentiate）”特性也被利用来培养愈伤细胞，做一些植物的转基因或是无性繁殖。但是植物是如何控制细胞再分化，由哪些基因、因素调节控制这一特性，却很少有突破性研究进展。 该文作者通过筛选具有在某些组织部位有愈伤组织表型，并能再次分化发育的突变体，发现了各种表达PRC2（POLYCOMB REPRESSIVE COMPLEX 2）亚基蛋白的基因的突变体具有非常相似的表型。在这些突变体中，已经停止生长的成熟的根毛细胞（单细胞）会再次进入有丝分裂，变成多个细胞，甚至进而发育为一个胚胎（逆生长啊~~~）。PRC2蛋白复合体能够催化组蛋白的三甲基化（trimethylation），以来抑制相关基因的表达。之后作者通过QRT-PCR和ChIP，找到PRC2蛋白的直接目标基因WIND3和LEC2。过量表达WIND3或LEC2都会使成熟根毛细胞再次分裂或分化，就像PRC2各个亚基蛋白的突变体。该文章从表观遗传学的水平揭示了植物细胞是如何调节和保持正常的细胞生长发育的，并且准确找到了下游调控蛋白，对于解释了解植物细胞的再分化过程有着重大意义 (Sun分享)。 Dynamic Behavior of the trans-Golgi Network in Root Tissues of Arabidopsis Revealed by Super-Resolution Live Imaging Tomohiro Uemura et al. Plant Cell Physiol (2014) 55 (4): 694-703. 在细胞内部，蛋白由内质网合成，再经高尔基加工运输，之后会由高尔基体反面的网络结构(TGN，trans-Golgi network)运到细胞膜上，甚至是运到细胞膜外。TGN是一个进行胞吐作用（exocytosis）和分泌途径的中心细胞器。 简单来说，高尔基分为正面高尔基（Cis-Golgi）（对着内质网的为正面）、反面高尔基（trans-Golgi）（分再细点，还有中间高尔基，mid-Golgi）。而TGN就位于trans-Golgi的反面，有和高尔基连在一起的，叫做GA-TGNs（Golgi-associated TGN）；也有独立于高尔基的，叫做GI-TGNs（Golgi-released independent TGNs）。 本篇文章的作者，在拟南芥中用蛋白自身的启动子表达TGN定位蛋白：GFP-SYP41,GFP-SYP42，和GFP-SYP43。根据荧光强弱，最后决定用GFP-SYP43来研究TGN的结果变化。通过一般的共聚焦显微镜（CLSM）观察，SYP43有两个不同的群体。一种和ST-mRFP（trans-Golgi定位蛋白）一直结合在一起，也就是GA-TGNs；还有一种是独立于trans-Golgi的，也就是GI-TGNs。另外他们发现这两种不同TGNs的群体比例在不同的细胞类型里是不同的，在分裂组织（division zone）中GI-TGNs的比例最低，在已经分化成熟的组织（differention）中GI-TGNs的比例最高。之后作者用高分辨率显微镜观察3D的TGNs结构，他们发现GA-TGNs表面粗糙、不规则，但是GI-TGN表达圆滑（好设备啊~~~）。通过定时观察，他们发现GI-TGNs事实上是由GA-TGNs分离出来的，而分离后GA-TGN会继续存在。 该文章作者用高分辨显微镜的实时摄影，验证了之前用电镜做的结果，并且进一步观察到了在不同细胞组织中TGN类型的比例不同，以及两类不同的TGN是如何形成的过程。图还是很漂亮的~~ (Sun分享) The Arabidopsis Glucosyltransferase UGT76B1 Conjugates Isoleucic Acid and Modulates Plant Defense and Senescence Glucosyltransferase-The Plant Cell-2011 我看这篇文献是基于前面的两个真菌基因组测序提出: Glucosyltransferase may be required for full virulence. 摘要： the mostly antagonistic salicylate (SA)- and jasmonate (JA)-mediated signaling pathways； the previously uncharacterized glucosyltransferase UGT76B1 is a novel player in this SA-JA signaling crosstalk； 拟南芥有122个UGT成员； Loss of UGT76B1 function leads to enhanced resistance to the biotrophic pathogen but increased susceptibility toward necrotrophic； UGT76B1 overexpression has the opposite effect； isoleucic acid acts as a substrate of UGT76B1； UGT76B1 acts as a negative regulator of SA-dependent plant defense. Exogenously applied ILA itself activated SA-dependent marker gene expression and enhanced resistance toward infection with avirulent P. syringae. 本文讨论部分还讨论了氨基酸或其衍生物与植物抗性的关系哟~ （Walnut1分享） Aquaporins Contribute to ABA-Triggered Stomatal Closure through OST1-Mediated Phosphorylation Alexandre Grondin, Olivier Rodrigues, Lionel Verdoucq, Sylvain Merlot, Nathalie Leonhardt, and Christophe Maurel The Plant Cell www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.15.00421 分享一篇研究水通道PIP2;1在ABA介导的气孔运动中作用的文章，来自Plant Cell。 由两个保卫细胞形成的气孔，在植物气体交换，水分蒸腾的作用中发挥重要作用。在干旱及ABA处理下，气孔关闭，在光照处理下，气孔张开。过去的研究，已经部分阐明ABA介导的气孔运动机制。ABA激素与其受体RCAR/PYR/PYL结合，捕获PP2C，释放OST1（SnRK2.6）。OST1进一步激活膜上的不同效应子，例如NADPH氧化酶RbohF及RbohD，膜泡阴离子通道CLCa，膜阴离子通道SLAC1，钾通道GORK等等，最终导致保卫细胞体积变化，气孔关闭。在气孔关闭与打开过程中，保卫细胞体积会在很快时间内有近40%的变化，这个变化过程中伴随着细胞内水存量的变化，那么，细胞膜上的水通道是否直接参与气孔运动呢？这篇文章回答了这个问题。 作者研究发现，拟南芥水通道PIP2;1敲除以后，ABA将无法使气孔关闭；同时，对保卫细胞水渗透性（water permeability）测定表明，只有ABA处理下，PIP2;1才参与影响保卫细胞水水渗透性。这些结果表明PIP2;1参与ABA介导的气孔运动。同时，ABA介导的保卫细胞ROS迸发，也依赖PIP2;1的存在。正如上一段中描述，ABA信号过程中包括OST1激活一系列效应子。由于ABA处理并不影响PIP2;1表达水平，因此作者进一步研究发现，PIP2;1上的Ser-121是OST1磷酸化位点，ABA处理下激活OST1，磷酸化PIP2;1上的氨基酸残基Ser-121，进而调控这个水通道活性，影响水的透膜运输，最终参与气孔运动调控。 这篇文章涉及的实验并不复杂，包括在拟南芥T-DNA突变体上的气孔运动相关生理实验，ROS迸发测定，保卫细胞水渗透性测定，蛋白磷酸化体外测定，最终完成了一篇很完善的Plant Cell文章。实验方法，结果描述以及整个研究思路很清晰明确，推荐给大家参考。 （分享人：starseacow） Christie, J. M. et al. Plant UVR8 photoreceptor senses UV-B by tryptophan-mediated disruption of cross-dimer salt bridges. Science 10.1126/science.1218091 (9 February 2012) D. Wu, et al. Structural basis of ultraviolet-B perception by UVR8. Nature, 2012, 484, 214–219 分享两篇关于紫外光感受蛋白的文章，两篇文章几乎是同时发的，一篇Science，一篇Nature，结果也基本相同。这两篇文章介绍了UVR8蛋白的基本结构以及接受紫外光后结构发生变化的机理。 UVR8蛋白是植物体内的一种紫外线（UV-B）光感受器，它是一种通过带电氨基酸之间的盐桥互作所形成的同源二聚体。在蛋白接受紫外线照射后，会从二聚体变为单体，进而引起对下游基因的调控。这一单体化的过程在植物体内、体外纯化蛋白和异源表达中都能实现，且都是可恢复的。这两篇文章都揭示了UVR8在接受紫外线之后的结构变化及参与其中的重要氨基酸。 研究发现，二聚体表面靠近盐桥的色氨酸在UVR8的光感受过程中扮演了非常重要的角色。这些色氨酸横跨二聚体的结合界面，排列成两个金字塔状。当这一结构吸收UV-B后，会导致耦合激子的减少，从而导致盐桥被破坏，发生单体化。其中，将W285和W233突变后（W285F和W233F），UVR8在紫外照射下的单体化被阻止。此外，研究还发现，精氨酸R146、R286和R338也参与了二聚体的构成。双突变R146A/R286A和R286A&R338A都会导致UVR8二聚体的不稳定。（lkkkk分享） 介绍一篇Scientific Reports上的有意思文章。 The first crop plant genetically engineered to release an insect pheromone for defence Toby J.A. Bruce,..., John A. Pickett cientific Reports 5, Article number: 11183 蚜虫是影响全世界小麦产量的因素之一。使用化学农药清除蚜虫，对于环境及生态会造成严重影响。过去的研究表明，野生马铃薯中合成一种倍半萜烯 (E)-β-farnesene (Eβf)可以作为昆虫信息素，驱除蚜虫，并且吸引蚜虫自然天敌黄蜂寄生以清除蚜虫。如果能够让小麦自己合成这类信息素，将可能不施加农药达到对抗蚜虫的目的。 在这篇文章中，作者通过基因工程手段，在小麦中构建Eβf生物合成途径，并且在实验室证明这些可以合成并释放Eβf的小麦对蚜虫侵染有一定对抗能力。之后，这类基于合成信息素达到抗生物胁迫作用的农作物，首次大规模种植在田地中。很不幸的是，作者发现，这些小麦在田地中依然可以合成Eβf，但并没有表现出对蚜虫侵染的抗性，也没有表现出对蚜虫天敌的吸引能力。 这篇文章指出实验室研究和农业具体应用可能存在的巨大差异，农田气候以及野外生物圈组成构成了一个复杂的系统，这可能是实验室研究很难考虑周全但又不得不考虑的。 最后，介绍一下这个研究的背景花絮，作者来自1843年就建立的一流农业研究机构Rothamsted Research，这项研究受到BBSRC资助，对于实验本身，BBSRC投入了732000英镑。在农田研究中，为了防止野生动物或鸟类的干扰，BBSRC额外投入了444000英镑支持了农田规划及围栏保护相关研究。另外，为了防止反转基因组织对实验的干扰，BBSRC又投入了1794439镑建立了安保设施。（starseacow分享） 再介绍一个Rothamsted Research取得进展的研究项目，文章见 Field trial evaluation of the accumulation of omega-3 long chain polyunsaturated fatty acids in transgenic Camelina sativa: Making fish oil substitutes in plants Sarah Usher, ..., Johnathan A. Napier Metabolic Engineering Communications (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.meteno.2015.04.002i 在这篇文章中，作者在亚麻中构建了 omega-3鱼油的生物合成途径，在第一年的农田实验中，作者已经成功发现大规模种植的转基因亚麻籽中可以提炼出这种重要的深海鱼油。这篇文章值得关注的是，在植物中合成鱼油，涉及很多步代谢反应，作者很成功得利用基因工程手段做到这一点。（starseacow分享） Ultrafast photonic PCR Jun Ho Son et al. Light: Science & Applications (2015) 4, e280; doi:10.1038/lsa.2015.53 PCR仪的升温和降温是限制PCR扩增速度的一个很大的因素，该文章作者利用薄金膜和LED灯设计出了一个简单，快速，并且便宜的PCR仪，全部的装备成本价不超过100美元。基本设计原理是（看下图），利用LED光照（450nm），使金膜表面的电子震荡产生热量；关闭光线，电子停止震荡，从而开始降温。升温速率：12.79+-0.93C/s，降温速率6.6+-0.29C/S,。从55C到95度来回升降温，30个循环，总共只用5分钟。 非常好的设计，但现如今只是单个孔的PCR，估计很快能够有多个孔的PCR仪，希望能够很快大量推广吧，因为成本很低，应该会便宜不少。(Sun分享) |
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