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耐胁迫型转基因植物的遗传学靶点
发表日期: 2017-07-11 作者: Shawn W. Foley等 文章来源:《Developmental Cell》
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植物通过根与土地连接,根就像植物的嘴,吸收、储存、传递用以维持生命的水分和营养。科学家们一直试图对植物的根进行基因改造,使作物能在更贫瘠的土地上生长。

一项来自宾夕法尼亚大学的研究发现了两个关键的毛细胞(能增加根部吸收表面积)发育调节蛋白。研究人员过表达其中一种蛋白后,发现植物能在短缺磷元素(必须矿物元素)的情况下依然生存。

 “通常情况下,植物对磷胁迫的反应是变矮小,果实和种子的产量下降,”本文的通讯作者生物系副教授Brian Gregory说道。“我们发现,过表达GRP8蛋白的植株,并不会出现类似的这种磷胁迫生理反应。这种良好耐性的植株表型,正是很多作物种植所需要的。”能产生更多的毛细胞的植物,也更适合从土壤中吸收水分,可以预想它将更能适应极端变化的气候,如大面积干旱。

本文(《Developmental Cell》)的第一作者Shawn W. Foley和通讯作者Brian Gregory找到了埃默里大学的Roger B. Deal和王东学(Dongxue Wang)以及德国比勒菲尔德大学、亚利桑那大学等多名研究学者,共同开发了一种被称为PIP-seqRNA测序技术,该技术能检索出细胞内所有的RNARNA结合蛋白的互作和RNA转录本的二级结构和折叠情况。利用这种测序技术,研究人员比对了模式生物拟南芥根部非常相似的两种细胞(区别在于一种是根毛细胞,一种是非根毛细胞)的核基因组。

“我们清晰地看到了根毛细胞和非根毛细胞之间,RNA二级结构和RNA蛋白结合的区别,”Foley说。

研究人员分析了这些数据,发现2RNA结合蛋白的配置呈现明显的差异。一种叫做SERRATE,在基因表达的不同调节途径(可变剪接和microRNA生源论)中承担重要角色,降低SERRATE水平,植物根毛细胞增多变长;另一种叫GRP8蛋白,负责植物的抗压反应相关的基因表达,过表达GRP8能增加根毛数量。

为了测试相关基因对植物生长的影响,研究人员把过表达GRP8植株培植在磷元素贫瘠的土壤中,随后他们发现,GRP8开启了植株内增强磷元素吸收能力的基因,与普通植株相比,更多的磷被运送到植物体内,最终,这种转基因植物比其他植株长得更大。

 “我们检测到了更多的磷元素摄取,并且获得了体型更大的植物,”Foley说。“在缺少磷元素的贫瘠土壤上,我们种出了这种吃苦耐劳型选手,我们相信这应该是归功于GRP8的促根毛生长作用。”

研究小组现在正致力于其他植物品种的研究,尤其是谷物农作物。磷是植物的必须生长元素,因此大多数化肥都含有磷。但是与此同时,磷非常容易被水冲走,污染水生态系统。如果能减少农肥的磷含量,将更有利于环境保护。

除了改善粮食产量,研究人员指出,这项检测两种相似类型细胞的RNA测序技术,也适用于植物以外的其他系统。“通过全基因组手段鉴定两种相似细胞的具有生物学意义的关键蛋白,针对不同的发育阶段、胁迫反应等情况都可以利用这个模型进行转录后调节研究,”Foley补充道。“实际上,诸如此类的问题很多,如比较这些细胞之间的二级结构差异,RNA被折叠的过程,及其人工干预手段等等。”(来源:生物通)

 

A Global View of RNA-Protein Interactions Identifies Post-transcriptional Regulators of Root Hair Cell Fate

 

Abstract  The Arabidopsis thaliana root epidermis is comprised of two cell types, hair and nonhair cells, which differentiate from the same precursor. Although the transcriptional programs regulating these events are well studied, post-transcriptional factors functioning in this cell fate decision are mostly unknown. Here, we globally identify RNA-protein interactions and RNA secondary structure in hair and nonhair cell nuclei. This analysis reveals distinct structural and protein binding patterns across both transcriptomes, allowing identification of differential RNA binding protein (RBP) recognition sites. Using these sequences, we identify two RBPs that regulate hair cell development. Specifically, we find that SERRATE functions in a microRNA-dependent manner to inhibit hair cell fate, while also terminating growth of root hairs mostly independent of microRNA biogenesis. In addition, we show that GLYCINE-RICH PROTEIN 8 promotes hair cell fate while alleviating phosphate starvation stress. In total, this global analysis reveals post-transcriptional regulators of plant root epidermal cell fate.

 

原文链接:http://www.cell.com/developmental-cell/pdfExtended/S1534-5807(17)30202-2

 


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