芦苇群落水体质量与芦苇转录本的相关性

芦苇(Phragmites australis)是广生态幅多年生水生植物,在全球分布极广。芦苇能够适应并生长在极端环境,如盐碱地、重金属污染地等,这种巨大的环境忍耐能力使得芦苇成为研究植物环境适应性的模式物种,并逐渐成为植物学和生态学等领域的研究热点。目前,北京自然和人工湿地中大量栽植芦苇,其主要功能是净化水体、稳定水体自净能力。为深入了解水体质量对芦苇转录本的影响及二者之间的相关性,首先对北京及河北白洋淀共计32个采样点的8项水质指标进行了检测。结果表明,32个采样点的水体整体处于污染状态,主要污染物为总氮(TN)和生物需氧量(BOD),并且水质均略偏碱性,且具有高氮(N)、高磷(P)、高BOD和高化学需氧量(COD)等特征。主成分分析(PCA)表明8项水质指标间具有相关性,可被降至3个维度,第一维度是BOD/COD/高锰酸盐指数(CODMn);第二维度是TN/氨氮(NH3-N)/总磷(TP);第三维度是pH/溶解氧(DO)。对水质指标与芦苇叶片RNA-seq转录本进行皮尔森系数相关性分析,筛选出247个与水质指标相关的转录本。其中,232个基因(93.9%)的转录水平与水质指标呈现正相关性。经实验室单一因子或双因子验证确定了PB.4621.1(编码GMP合酶)和PB.12079.1(编码LEA14蛋白)两个基因更适合用于监测水体中的氮和磷水平。研究为后续芦苇监测水质技术的开发与利用奠定了理论基础。

复合功能嵌合纤维小体空间结构优化及性能研究

该研究成功构建4种杂合纤维小体支架蛋白,并将纤维素酶与其在胞外组装成空间结构不同的嵌合纤维小体,分析了嵌合纤维小体的酶的热稳定性和酶解动力学特征。并基于酿酒酵母EBY100细胞表面展示系统锚定优化前后的支架蛋白以组装嵌合纤维小体进行纤维素同步糖化发酵产乙醇性能分析。结果表明嵌合纤维小体的酶活性在50℃下维持相对稳定状态达到120 h。其中ScafI-Ⅳ型支架蛋白嵌合纤维小体的V_(max)=0.147 mg/(mL·min),K_(m)=6.085 mg/mL及水解纤维素的还原糖产量均高于其他3种结构嵌合纤维小体。CBP酿酒酵母菌群以磷酸膨胀纤维素为底物进行同步糖化发酵产乙醇,ScafI-Ⅳ型结构嵌合纤维小体在96 h时乙醇产量达到1.12 g/L,产量为0.263 g/g,相当于乙醇产率理论值的51.50%。该结果证明通过优化支架蛋白结构可改善嵌合纤维小体的酶解性能,并对于人工设计纤维小体的研究具有一定的理论意义。

三维基因组染色质构象捕获及其衍生技术

线性染色质经过多重折叠凝缩到真核生物的细胞核中,染色质的三维构象直接决定了真核生物的基因表达,因此染色质可以在局部或远程空间上发生互作调控基因转录。折叠成环状构象的染色质可以借助染色质构象捕获(Chromosome conformation capture,3C)技术来研究,基于3C技术扩展的4C/5C/Hi-C从单个位点延伸到全基因组捕捉三维构象,在此基础上,染色质构象核心技术可以与免疫共沉淀、核酸分子杂交、单细胞、基因组测序等技术偶联而产生新的衍生技术和应用,这极大地推动了染色质构象技术在基因时空特异性表达调控上的研究。文中将以3C和Hi-C等三维基因组核心技术为基础,重点介绍染色质构象捕获及其衍生技术的原理和前沿应用。

水稻CSC11介导干热风/干旱诱导的钙信号调控雄蕊发育

【目的】水稻花期偶遇干热风/干旱,导致脆弱的生殖细胞快速失水,极大地降低产量,这一过程中钙离子作为通用的第二信使传导了干旱或其他逆境信号,但背后的分子机制尚不清楚。分析钙离子透过性胁迫反应阳离子通道家族(calcium-permeable stress-responsive cation channels,CSCs)基因的生理和分子功能,为研究作物干热风的感应机制提供新的理论基础和思路。【方法】采用电生理学和遗传学方法,利用双电极电压钳技术在水稻中鉴定得到一个具有典型特征的受体类-钙通道蛋白,名为OsCSC11,对其蛋白序列进行生物信息学和进化关系分析。运用qRT-PCR和GUS报告基因活性分析确认OsCSC11的表达模式,在拟南芥原生质体细胞和洋葱表皮细胞中瞬时表达OsCSC11-GFP融合蛋白,验证OsCSC11的亚细胞定位;同时利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得OsCSC11的突变体,并通过细胞学等手段分析突变体表型和相关生理功能。【结果】蛋白序列比对发现,OsCSC11具有CSCs家族成员典型的保守结构域DUF221,但与其他成员序列差异大,存在不同于其他成员的特异结构域(motif)属于独立的亚家族。OsCSC11主要在水稻的花药和叶片中表达,进一步分析发现全长OsCSC11处于静息状态,可被高渗透溶液激活;但是删除N端156氨基酸(TM1-3)之后的OsCSC11^(ΔTM1-3)具有组成型的通道活性,特异选择钙、镁二价阳离子;推测TM1-3是这类通道的受体结构域,感应干热风胁迫,而OsCSC11^(ΔTM1-3)区域负责钙信号产生。OsCSC11和OsCSC11^(ΔTM1-3)均定位在细胞质膜上,与其干热风的受体功能相适应。与野生型相比,功能缺失突变体oscsc11-1和oscsc11-2的雄蕊较小、花药表面蹙皱,整体多呈弯曲状态,花粉含水量较低,败育率高达60%—70%。【结论】OsCSC11是水稻感应短期干热风/干旱刺激、介导钙离子内流,调控花药水分状态和花粉发育的受体类钙通道,可能参与了水稻雄蕊应对干热风的原初感应过程。

生物钟与植物免疫互作的研究进展

生物钟作为植物内源的计时系统,参与调控了包括植物免疫反应在内的多种生理生化活动。生物钟帮助植物预测病原体的入侵,主要通过调控抗病基因的表达、免疫激素的合成和信号转导、活性氧分子的稳态以及气孔开闭等多种生理生化过程的节律性,使植物对于细菌、卵菌、真菌以及病虫侵害的抵抗能力呈现昼夜差异,从而实现资源的优化分配。另一方面,病原体通过分子模式和效应蛋白反馈调控植物的生物钟。作物中关于生物钟与免疫互作的研究尚处于起步阶段,但拟南芥中的研究手段将助力作物中的研究。相关成果也将从时间生物学的角度为提高作物的抗病性提供理论依据。

2种生态型芦苇RCA基因特征及表达特异性

芦苇(Phragmites australis)分布范围广,生物量巨大,环境适应性强。受芦苇多倍体基因组的限制,在基因水平上解释其独特的物种特质非常困难。利用三代测序及多种方法研究2种生态型芦苇(2n=8x)中RCA基因(编码Rubisco活化酶)的类型、结构、表达和定位模式。结果表明,芦苇基因组中有4类RCA基因,均属于RCA2β。转录水平和蛋白质水平检测以及免疫胶体金定位结果表明,芦苇RCA的基因表达模式和蛋白质定位具有明显的生态型特异性。与沼泽芦苇(SR)相比,沙丘芦苇(DR)中RCA的表达水平较低,且更倾向于产生RCA2-β2产物。通过分相的蛋白双向电泳和质谱方法,鉴定到6个高表达的RCA同型物。在DR中这些同型物高比例地分布于膜相。研究表明当芦苇处于极度恶劣的沙漠环境中, RCA转移到膜相并参与叶绿体的膜保护机制。