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starseacow

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[交流] 植物生理群文献分享（2016年1月总第35期）

植物生理群文献分享（2016年1月总第35期）

进入2016，祝大家新年快乐，同时预柱新春快乐！
目前为了避免广告的问题，植物生理群停止自由加入。目前主要由已有成员推荐加入。其他想加入的虫友，请在加群时提供你的木虫昵称，所在院校及专业方向信息。
请各位分享了文献的虫友跟帖，以便我发放金币奖励。

Full crop protection from an insect pest by expression of long double-stranded RNAs in plastids
Jiang Zhang, Sher Afzal Khan, Claudia Hasse, Stephanie Ruf, David G. Heckel, Ralph Bock
Science  27 Feb 2015: Vol. 347, Issue 6225, pp. 991-994

之前的抗虫技术手段之一的转基因Bt毒蛋白植物可以减少农药的使用，但是并不是所有害虫都受Bt毒蛋白的影响，并且持续使用必然导致抗Bt虫的出现。这篇发表在2015年science上的文章来自于德国马普研究所，他们报道了一种改良的技术手段来控制害虫：在植物光合系统，即在叶绿体中表达致死RNA作为杀虫剂。
之前已经有人尝试在植物系统中转基因导入dsRNA来控制害虫，但是都没有取得很好的效果。至少60bp长度的dsRNA对于靶标昆虫非常重要，但是植物体内本身有产生small RNA从而阻止长双链RNA（long double-stranded RNAs）在体内过度积累的系统，导致dsRNA在植物体内被切割形成20bp左右的siRNA，而siRNA喂食昆虫时功效甚微或没有效果。
植物叶绿体来源于之前能独立生存的蓝细菌，这是一种缺乏RNAi pathway的原核生物。于是作者猜想在叶绿体中表达这种长双链RNA应该会比在核中表达更稳定。研究人员把马铃薯甲虫生长必需的β-肌动蛋白基因作为目标基因，将特异的双链RNA转入马铃薯的叶绿体，这种"转叶绿体"的马铃薯有明显的抗虫效果。用这种马铃薯的叶片喂食甲虫的幼虫，5天之后所有的幼虫全部死亡。研究人员还发现，如果用传统的转基因策略，将同样的双链RNA转入马铃薯的核基因组，则完全不能使马铃薯有抗虫效果。
通过这种改良的转基因技术，就可以充分利用RNAi技术，特异性的干扰不同害虫的不同基因从而达到控制害虫。（伊安分享）

Light-Induced Indeterminacy Alters Shade-Avoiding Tomato Leaf Morphology
Daniel H. Chitwood2, Ravi Kumar3, Aashish Ranjan4, Julie M. Pelletier, Brad T. Townsley,
Yasunori Ichihashi5, Ciera C. Martinez, Kristina Zumstein, John J. Harada, Julin N. Maloof, and
Neelima R. Sinha
Plant Physiology September 17, 2015 pp.01229.2015

这篇文章主要探索shade-avoidance 对番茄叶片形状的影响。该文是结合数据调查和实验来进行的。获取以往发表的shade-avoidance对叶片形状影响的相关数据，通过meta-analyze 分析，证明shade-avoidance确实对叶片形状发育产生了影响。Shade avoidance 对一系列组合性状的影响比较明显，气孔相关形状响应较早，而大小性状响应较晚。然后，通过交替高低r:fr处理，分析叶原基基因表达，分析shade-avoidance对叶片形状产生影响的原因，结果表明叶原基中，shade-avoidance并未通过传统的描述的途径（我个人理解是光敏素的红光远红光响应）影响叶片发育，而是通过KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX及一系列基因的表达来影响叶原基中叶片形状发育的。该文还发现，遮荫诱导的叶原基中基因表达的变化并未与后续未遮荫条件下形成的叶原基基因表达重叠，这与以往认为幼叶遭受遮荫会影响后续叶片形状的假设不相符。
分享这篇文章主要是因为meta-analyze，该方法是对多个相同主题的不同独立实验结果进行分析时的方法。具体操作我也正在学习中。。。：）  （wang20140530分享）

Engineered silver nanoparticles are sensed at the plasma membrane and dramatically modify physiology of Arabidopsis thaliana plants
Arifa Sosan,…, Vadim Demidchik
Plant Journal DOI: 10.1111/tpj.13105

分享一篇来自Plant J的文章，主要关注银纳米粒处理对拟南芥的生理影响。
在工业领域，纳米水平的银单质已经得到广泛应用，这就提示人们要注意从工业产品中释放的纳米银对环境尤其是植物生长的影响。同时，在代谢领域，银也被认为是诱导效应最强的金属诱导子，纳米银，也已经被应用于次生代谢诱导。在这篇文章中，作者在拟南芥上，研究了直接约50 nm的纳米银单质处理对植物生理的影响。在植物个体水平，作者研究了对植物根和叶片生长的影响。在细胞水平，作者关注了ROS，钙信号，光合作用，细胞膜通透性，离子通道调控等指标。
作者的结果表明，300 mg/l以上的纳米银会抑制拟南芥根伸长和叶的生长，同时伴随着光合作用水平下降以及植物组织中银的积累。纳米银结合在细胞膜上，会提高膜通透性，提高细胞质钙水平，并造成NADPH氧化酶相关的ROS迸发。进一步对机制的研究发现，纳米银并不直接造成ROS的迸发，而是通过氧化植物内抗坏血酸达到改变植物内氧化还原态变化的目的。此外，作者利用膜片钳技术，发现纳米银处理会激活钆敏感的钙内流电流。
我自己的感觉这篇文章新意有限，基本上没有脱离施加一个外源诱导子看各种生理变化的水平。但由于作者搞得比较深入，从个体生理到细胞内信号分子都有涉及，所以可以发表在PJ水平的文章上。最后在如果造成ROS迸发上，作者给出了氧化抗坏血酸这个理由，是个亮点，这就远远优于单纯测个ROS或抗氧化酶的水平。此外，在做纳米银诱导子的研究中，如何区分效应是由于纳米态银造成，还是离子银造成，是一个难点。作者采取了合理的对照组处理，即相同浓度的纳米银和大颗粒银（Ag bulk）作比较，同时在必要的实验中添加银离子螯合剂，这就让实验结果更确切可信。（starseacow分享）

Engineering complex synthetic transcriptional programs with CRISPR RNA scaffolds.
Zalatan JG, Lee ME, Almeida R, Gilbert LA, Whitehead EH, La Russa M, Tsai JC, Weissman JS, Dueber JE, Qi LS, Lim WA
Cell. 2015 Jan 15;160(1-2):339-50

CRISPR-Cas9 是一个能够定点剪切修改基因组序列的强大系统，现如今已经被应用于很多方面。其中之一就是利用dCas9(一个失去DNA酶切活性的Cas9蛋白,但是仍能够结合gRNA来识别目标DNA)来激活或是抑制目标基因的表达。其原理（图1.B左）是利用dCas9结合到基因的转录起始位点上，物理性的阻碍能激活该基因表达的转录因子进行工作，从而抑制基因表达，即为CRISPRi; 又或者是将一个转录激活因子与dCas9结合，这样的话该转录激活因子就能被定点的拉至转录起始位点，从而激活基因基因表达。但是这种方法都只能单方面地调节基因表达，比如要么激活，要么抑制，而不能同时激活一个基因，又抑制另一个基因。
该文作者就改进了上面的方法，延长sgRNA序列，添加一个或多个发夹结构RNA。这些特殊的发夹结构（别如MS2,PP7,com）能够被特殊的蛋白结构（MCP，PCP和Com）识别，而同时这些蛋白结构又被结合上一个转录因子，这样一来就能对特定的基因进行表达调控。该方法的优势是能够同时对多个基因进行表达调控，比如激活基因A的同时，抑制基因B和C，该方法对于研究同一个信号通路的基因非常有效（具体应用例子可看图4，图5）。而且利用可诱导启动子表达，还能定时调控基因表达。该方法提供了一个非常有效的调控基因表达的开关，把之前的单方向调控（类似于电路中的串联），变为了多方向，并能控制的调控（类似于电路中的并联），其应用价值又广阔了许多。（Sun分享）

A light-inducible CRISPR-Cas9 system for control of endogenous gene activation.
Lauren R Polstein1& Charles A Gersbach
Nat Chem Biol. 2015 Mar;11(3):198-200.

CRISPR-Cas9系统能够准确定点的剪切目标DNA序列，而dCas9作为一个失活的DNA结合蛋白，也广泛被应用于调控基因表达。利用将dCas9蛋白和一个激活或是抑制的转录因子结合，只需根据目标序列编辑gRNA序列，就能调控目标基因表达。
该文章利用在植物中发现的光诱导蛋白聚合体CRY2和CIB1，用光来调控基因表达。他们将激活因子VP64和CRY2蛋白结合，将CIB1的一个蛋白片段CIBN于dCas9结合，将其共同表达于一个细胞中。这样，利用蓝光诱导，CIAN就能和CRY2相结合，从而将VP64拉至dCas9定位的DNA序列上，最终激活目标基因。并且该调控是可控的，只有在蓝光条件下，CIAN才能与CRY2相互作用，从而激活蛋白；而没有蓝光，就不会有激活。
类似的设想之前用ZFP或TALE蛋白也做过，但是由于编辑他们太过于费劲，远远没有CRISPR简单，所以还是提供了一个非常好的光控诱导体系。（Sun分享）

Blue Light Induces a Distinct Starch Degradation Pathway in Guard Cells for Stomatal Opening
Daniel Horrer, Sabrina Flutsch, Diana Pazmino, ..., Nathalie Leonhardt, Tracy Lawson, Diana Santelia
2016, Current Biology 26, 1–9

去年10月，苏黎世大学的Dr Diana Santelia曾经来我们组做过学术报告，她的研究主要关注植物细胞内初生淀粉体在植物生理活动中的作用，我曾经介绍过她的报告内容。在新一期的Current Biology中，Diana的一部分工作已经得到发表。
淀粉粒是高等植物细胞中的一种质粒体，主要功能为以淀粉的形式合成及储存糖类，留待需要时使用。按照存在时间长短，植物细胞中存在两类淀粉粒：植物中的次生淀粉体相对长期存在，住哟用于能量储存，为一些长期生理活动如种子或块茎萌发做准备。而初生淀粉体则代谢比较迅速，主要参与一些短期生理活动。初生淀粉体主要在叶绿体中产生。在叶片中，初生淀粉体在夜间降解消失，而在保卫细胞中，则相反。
植物具有蓝光反应，即在蓝光光照下产生一系列生理活动，其中具有代表性的就是蓝光光照下的气孔张开。这篇文章发现，在30 min的蓝光光照下，植物保卫细胞内的淀粉体会快速降解消失（1 h内），1 h后淀粉体会缓慢积累再生。提示植物在白天开始积累糖类并储存在淀粉体中，为黎明时气孔及时快速开放做准备。干扰淀粉体代谢，对于植物生长有一定影响。作者进一步研究发现，植物气孔降解淀粉粒，依赖beta-淀粉酶BAM1，而在叶片细胞中为BAM3，提示植物中具有细胞特异性的淀粉体降解途径。对蓝光信号系统研究表明，向光素1-2（phot 1-2）感知蓝光信号并激活H+-ATP泵泵出H+这一过程，参与蓝光下淀粉粒的降解与气孔开放。（starseacow分享）

A symbiotic SNARE protein generated by alternative termination of transcription
Huairong Pan, Onur Oztas, Xiaowei Zhang, Xiaoyi Wu, Christina Stonoha, Ertao Wang, Bin Wang & Dong Wang
Nature Plants 2, Article number: 15197 (2016)

介绍一篇来自Nature Plants的文章。
在苜蓿中，SNARE蛋白SYP132由于转录过程中3‘端的选择性多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation , APA），形成了两个不同的转录产物，SYP132C 与SYP132A。前者在植物各组织细胞膜上表达，而后者主要出现在植物与微生物共生体膜上。作者利用RNAi分别或同时沉默这两个SNARE蛋白，发现SYP132C执行该家族蛋白的经典功能，参与植物生长，沉默后植物生长缓慢，而SYP132A沉默后对植物生长有限，主要影响在于植物根部共生结瘤较小。对于侵染植物的固氮菌研究发现，在syp132a沉默株上固氮菌固氮水平较低。这些结果提示SYP132A在一般细胞膜上并不重要，其功能主要为向固氮菌与植物共生膜方向运输，从而参与调节这种共生关系。接下来，作者进一步研究发现这种对于SYP132的可变转录，在被子植物中保守。然而在拟南芥等一些植物中，这种SYP132在进化中丢失了，拟南芥中被命名为SYP132的基因是另一个SNARE SYP131在进化中产生的重复。作者考虑到所研究植物的不同，指出这种可以形成A与C两种产物的SYP132，其功能与丛枝菌根形成相关。
这篇文章的发现主要指出植物SNARE中存在的一种3‘端的选择性多聚腺苷酸化现象，这个现象产生的不同产物在亚细胞定位和功能上有不同。（starseacow分享）

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