標題一周生物技術縱覽-齊一生物

MicroRNA （miRNA） 是一類由內源基因編碼的長度約為21-24個核苷酸的非編碼RNA分子， miRNA的產生在動植物中非常保守。研究人員通過遺傳學、生物化學和細胞生物學的手段鑒定了磷酸酶復合物PP4/SMEK1通過拮抗MAPK的激酶活性介導了HYL1的去磷酸化，最終保證植物體內正常的miRNA產生。首先發現smek1突變體中全基因組范圍內的miRNA含量顯著下降，進一步研究證明SMEK1通過穩定HYL1蛋白促進miRNA的產生。在體內，SMEK1作為調節亞基與催化亞基PPX1/PPX2一起組裝成有活性的磷酸酶PP4復合物，并證明HYL1就是PP4/SMEK1的底物。同時，SMEK1本身作為MAPK通路的抑制因子，以雙重機制確保HYL1的去磷酸化。不同于磷酸酶CPL1/2可能在特定的發育階段調節HYL1的去磷酸化，PP4/SMEK1通過整合環境因子協調miRNA產生，因為SMEK1蛋白本身受到干旱條件下產生的脫落酸ABA的顯著誘導。這項研究首次在激酶MAPK和磷酸酶PP4/SMEK1之間建立了聯系，為深入研究植物miRNA產生和環境因子變化的關系提供了重要線索。

研究人員提出植物芽從頭再生的分子框架圖

植物芽從頭再生涉及兩個過程：愈傷組織細胞到干細胞的轉變；干細胞再分化建立起莖尖分生組織。WUS是莖尖分生組織發育過程中的關鍵基因，其特異地表達在莖尖分生組織區域，表征組織中心區域。通過RNA原位雜交技術和活細胞成像技術，研究人員發現愈傷組織在成芽培養基（富含細胞分裂素）培養早期檢測到WUS表達在特定愈傷細胞中，隨后WUS細胞增殖參與莖尖分生組織建立，最終形成再生芽。進一步研究發現，WUS的表達直接受到細胞分裂素信號途徑關鍵因子——B型ARR轉錄因子的調控。B型ARR結合到WUS啟動子區域，并激活WUS的表達。與B型ARR愈傷組織中的遍在表達不同，HD-ZIP III僅在愈傷組織的部分細胞中表達。HD-ZIP III能夠特異性地與B型ARR結合，形成轉錄復合體激活WUS，從而部分決定了WUS表達的空間特異性。這一系列研究成果回答了細胞分裂素如何調控芽從頭再生的長期科學問題，并提出了芽從頭再生發育的分子框架圖。

染色質重塑因子PKL在RNA介導的DNA甲基化中的功能

在植物中，RNA介導的DNA甲基化（RdDM）是一種重要的建立全新DNA甲基化式樣和轉錄基因沉默的機制，通過小干擾RNA（siRNA）與支架RNA（scaffold RNA）的堿基配對引導DNA甲基轉移酶到特定的位點進行全新DNA甲基化。研究人員通過正向遺傳學篩選到了兩個新的參與轉基因沉默的突變體。圖位克隆發現這兩個突變體是由于一個重要的發育調控基因PICKLE（PKL）功能缺失造成的。全基因組甲基化分析發現PKL影響大約一半RdDM位點的正常DNA甲基化，其中上升和下降的位點大致相當。在RNA介導的DNA甲基化過程中，DNA甲基化的位點特異性主要由兩類非編碼RNA界定：小干擾RNA（siRNA）和支架RNA（scaffold RNA），分別由植物特有的RNA聚合酶Pol IV和Pol V參與生成。通過分析mRNA轉錄組與全基因組DNA甲基化的相關性，研究人員發現在pkl突變體中，雖然一定數量的轉座子和基因的轉錄產物上升伴隨著DNA甲基化的下降，大部分位點的DNA甲基化變化不足以釋放轉錄沉默，揭示了CHD家族蛋白PKL在RNA介導的DNA甲基化過程中的作用并暗示RNA聚合酶Pol IV/V可以使用與Pol II相同的染色體重塑因子進行轉錄調控。

跨膜受體蛋白介導棉花對黃萎病的抗性分子機制

棉花黃萎病是由大麗輪枝菌引起的頭號生產病害，研究人員克隆到兩個強烈應答大麗輪枝菌侵染的跨膜受體蛋白基因GbaVd1和GbaVd2，兩個基因均編碼富含亮氨酸重復（LRR）序列的胞外區、跨膜結構域、胞內短肽等跨膜受體蛋白典型的結構域；利用病毒誘導基因沉默技術鑒定發現GbaVd1和GbaVd2基因沉默后抗病海島棉對大麗輪枝菌抗性轉變為高感，在擬南芥中過表達這兩個基因則顯著提高了轉基因株系維管束的木質化程度、增強了對大麗輪枝菌的抗性，表明GbaVd1和GbaVd2基因具有抗黃萎病功能。GbaVd1和GbaVd2的調控功能及路徑存在分化，影響了胞吞作用過程并激活了WRKY、AP2等轉錄因子表達，從而調控大量植物細胞壁合成相關基因參與維管束木質化過程，增強寄主植物對黃萎病的組織入侵抗性。

植物-微生物相互作用被再次證實

菌根共生是植物與菌根真菌建立的互惠互利的同盟，也是自然界最為廣泛的共生形式。植物可通過與菌根真菌共生高效率的從土壤中獲得磷和氮等營養；同時植物把20%左右的光合作用產物傳遞給菌根真菌供其生長。每年大約有50億噸的光合作用產物通過菌根真菌被固定在土壤中，對整個生態系統的碳氮平衡具有重要的作用。研究人員通過穩定同位素標定實驗，首次否定了糖是植物傳遞給菌根真菌主要碳源形式。同時采用遺傳學，分子生物學及代謝生物學的手段研究發現，植物宿主的脂肪酸合成對于叢枝菌根真菌共生是必須的，并且植物合成的脂肪酸能夠直接傳遞給菌根真菌。進一步的研究發現植物基因合成的一類特殊脂肪酸分子，被植物的轉運蛋白轉運給菌根真菌。

激素調控植物干細胞分子機理被揭示

植物干細胞主要存在于莖端、根端和形成層，莖端干細胞通過不斷分裂與分化形成植物的地上部分；根端干細胞形成植物的地下部分。外源施加細胞分裂素和生長素能夠在體外培養條件下誘導植株再生。研究人員采用細胞生物學、遺傳學和生物化學等方面的研究手段，在離體培養過程研究中發現，細胞分裂素信號轉導通路中的B類響應因子一方面直接啟動WUSCHEL基因的轉錄，另一方面通過抑制生長素合成基因的表達，間接促進和維持了WUSCHEL基因的表達，從而使愈傷組織細胞發生命運轉變，形成莖端干細胞，進而形成完整植株，揭示了激素調控植物干細胞活動的分子機理。

水稻高產新品種利于稻田甲烷減排

我國是世界上最大的水稻生產和消費國，稻田甲烷排放問題一直受到國際廣泛關注。在水稻復種指數持續下降、稻田面積難以增加、收獲指數已近高限等多重壓力下，通過品種改良和農藝創新，實現水稻單產的持續穩定增長，是確保我國“口糧絕對安全”的根本途徑。

研究表明，高產新品種對稻田甲烷排放的影響取決于稻田土壤有機質水平。當稻田土壤貧瘠（有機質含量低于1.4%）時，高產品種會提高甲烷排放；在中高產稻田（有機質含量高于2.1%），高產新品種顯著降低稻田甲烷排放。由于中高產稻田的甲烷排放總量遠高于貧瘠稻田，因此，高產新品種的甲烷凈減排量遠高于其在貧瘠稻田的增排效果。根據第二次土壤普查數據，我國80%以上的稻田有機質含量高于2.1%，且近年來呈現遞增趨勢。由此可見，我國水稻高產新品種的大面積推廣，不僅保障了國家的口糧安全，而且起到了甲烷顯著減排效果。