新进展！Nature Plants期刊连发我国植物科学领域9篇高水平文章！

学术 2024-10-13 18:11 广东

Nature Plants |华中农大田振东团队发现叶绿体伸长因子通过同时促进产量和防御来打破生长-免疫的权衡

提高产量和抗病性是全球作物育种的主要目标。人们普遍认为，植物的快速生长与对病原体和害虫的敏感性增加有关，而当免疫反应被激活时，植物的生长受到抑制。许多蛋白质调节生长-防御权衡。例子包括转录因子，如增强免疫力但抑制植物生长的TBF1（TL1结合因子）和促进植物生长但降低防御反应的BZR1（BRASSINAZOLE-RESISTANT1）。据报道，很少有基因同时促进产量和抗病性。例如，水稻转录因子理想植物结构1（IPA1）在正常生长条件下提高产量，同时在病原体感染期间被磷酸化后激活免疫力。然而，IPA1的过表达大大增强了抗病性，但大大降低了生长和产量，因此诱导型IPA1过表达是提高水稻产量和抗病性的理想策略。鉴定这些基因并知道如何使用它们有利于提高作物保护和产量。

2024年9月19日，华中农业大学田振东教授团队在Nature Plants在线发表了题为“Highly sensitive site-specific SUMOylation proteomics in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现叶绿体伸长因子通过同时促进产量和防御来打破生长-免疫的权衡。

该研究报告马铃薯叶绿体延伸因子StTuA和StTuB，是致病疫霉RXLR效应物Pi22926靶向目标，正向调节免疫力和生长。表达Pi22926或对TuA/B沉默的植物显示出增加的晚疫病菌易感性和降低的光合作用，植物生长和块茎产量。相比之下，StTuA/B过表达通过增强叶绿体蛋白质翻译来降低易感性，提高叶绿体衍生的活性氧产生并增加光合作用和马铃薯块茎产量。Pi22926的另一个植物靶标StMAP3Kβ2。它与StTuB相互作用，使StTuB磷酸化以促进其向叶绿体的转运。然而，Pi22926减弱了StTuB与StMAP3Kβ2的结合和磷酸化。我们揭示了病原体效应子通过破坏关键叶绿体功能来抑制免疫力的新机制。这项工作表明，StTuA/B打破了生长-免疫的权衡，提高了抗病性和产量，揭示了叶绿体生物学在作物育种中的巨大潜力。

华中农业大学博士毕业生戚烨通（现为浙江省湘湖实验室博士后）为论文第一作者，田振东教授为通讯作者。英国邓迪大学Paul Birch教授、西北农林科技大学王海霞教授为本研究提供了指导和帮助，研究生吴佳辉、杨筑、李红军、刘琅、吴昕雅等也参与了研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省“尖兵领雁+X”研发攻关计划等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01793-x

Nature Plants | 南方科技大学王鹏程团队构建基于位点植物SUMO蛋白组学数据库

SUMO化修饰（SUMOylation）是一种高度保守的蛋白质翻译后修饰。已知SUMO化修饰可调节靶蛋白的稳定性、稳定性和定位，参与了植物对于胁迫应答、生长发育、免疫应答等几乎所有重要的生物学过程。植物SUMO蛋白以及SUMO修饰途径中多个催化酶的缺失会导致植物死亡，显示了SUMO化修饰在植物生长发育过程中的核心作用。但由于SUMO化修饰蛋白含量少且高度动态变化，且在酶解后SUMO支链极长，导致SUMO修饰蛋白片段的富集和质谱鉴定困难。目前植物界只有数十个SUMO化修饰位点被鉴定，严重限制了植物SUMO化修饰的鉴定和功能研究。

2024年9月18日，南方科技大学前沿生物技术研究院王鹏程教授团队在Nature Plants在线发表了题为“Highly sensitive site-specific SUMOylation proteomics in Arabidopsis”的研究论文。该研究首次建立了植物SUMO化修饰位点鉴定的新方法，构建了基于位点植物SUMO蛋白组学数据库，为植物SUMO化修饰研究提供了新的研究技术和重要参考资源。

该研究在模式植物拟南芥sumo1 sumo2双突变体中表达赖氨酸缺失的SUMO1（Lysine-null-SUMO1，K0-SUMO1）。通过去除SUMO蛋白中的赖氨酸，使K0-SUMO化修饰蛋白在酶解后可进一步富集，提高了SUMO化肽段富集的效率和特异性。以这一植物为材料，利用优化的两步富集方法，王鹏程教授团队对高温条件下拟南芥K0-SUMO1材料进行了蛋白组学分析，成功鉴定超过2200个SUMO化修饰位点，涉及1300个潜在的SUMO化修饰蛋白，在植物中首次实现SUMO化修饰位点的蛋白组鉴定。

Detection of the Arabidopsis SUMO proteome in K0-SUMO1 transgenic plants

这一SUMO蛋白组显示发现SUMO修饰底物蛋白广泛参与了多种细胞核内的过程，如基因剪接、基因沉默、染色质重塑、DNA修复以及转录调控等。值得注意的是，与其他真核生物中SUMO化修饰主要发生在经典的ψKxE序列不同，拟南芥中的SUMO化修饰会发生在多个不同的基序上，表明植物和其他生物中SUMO化酶在位点选择特异性上不同。利用大肠杆菌重构了植物SUMO化系统，该研究还证明多个鉴定到的底物位点在体外仍可以发生SUMO化修饰，显示这一方法的特异性和准确性。同时，这一研究还利用定量蛋白组进一步证实，在高温处理后，很多SUMO化修饰蛋白的稳定性增加，表明SUMO化修饰倾向于增强底物的稳定性。

Arabidopsis SUMO target proteins are enriched in nuclear processes

综上，该研究首次实现了在蛋白组水平上对植物体内SUMO化修饰位点的高效鉴定。所提供的超过1300个蛋白的2200个修饰位点为通过点突变验证这些修饰位点的作用方式，深入研究这些底物的生物学功能提供基础。此外，未来通过简单的K0-SUMO的引入，可实现不同植物物种中的SUMO化修饰底物鉴定及调控网络的构建，为作物中关键SUMO化修饰底物的鉴定及功能解析提供有效的方法。

南方科技大学王鹏程教授为论文的通讯作者，博士后桑田是论文第一作者，赵莎莎博士、安徽农业大学许雅萍博士、北京大学现代农学研究院秦国臣研究员，中央研究院植物与微生物研究所许全智研究员也参与了这一工作。该研究得到了国家重点研发计划的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01783-z

Nature Plants | 山东大学谭保才团队揭示了单子叶植物细胞壁阿拉伯糖基木聚糖阿魏酰化的机制

植物的细胞被细胞壁所包裹，这些细胞壁不仅将各个细胞分隔开，还塑造了植物不同组织、器官乃至整个植物体的形态。植物细胞壁的主要构成成分包括纤维素、半纤维素、果胶以及木质素。单子叶禾本科作物中，半纤维素主要由阿拉伯糖基木聚糖构成。这些木聚糖的阿拉伯糖基上，在O-3位或O-2位会发生阿魏酰基修饰。阿魏酰基之间通过共价键相互连接，形成二聚体和多聚体，进而将木聚糖链紧密联结。木聚糖的阿魏酰化过程对于植物的生长发育至关重要，同时也是改善作物农艺性状的重要调控点。然而，虽然经过了半个世纪的研究，细胞壁中木聚糖阿魏酰化的具体分子机制仍然是一个未解之谜。

2024年9月4日，山东大学生命科学学院谭保才教授团队在Nature Plants上发表了题为“A sucrose ferulate cycle linchpin for ferulyolation of arabinoxylans in plant commelinids”的研究论文。该论文揭示了一个全新的阿魏酰蔗糖代谢循环途径，其中蔗糖通过两步酶促反应合成二阿魏酰蔗糖，为细胞壁木聚糖阿魏酰化提供供体，进而经阿魏酰转移酶转化为蔗糖。该研究揭示了单子叶植物细胞壁中阿拉伯糖基木聚糖阿魏酰化的分子机制，从而解答了一个困扰科学界长达半个世纪的重大科学难题。

该研究以玉米为遗传材料，通过正向遗传学手段克隆得到阿魏酰化相关基因Dow1。Dow1纯合突变体致死，突变后体胚和胚乳中细胞壁木聚糖阿魏酰基水平显著降低。DOW1蛋白主要定位在细胞质，少量定位在内质网。体外酶活实验表明，DOW1以阿魏酰-CoA和3-O-Fer sucrose为底物催化形成3,6－二阿魏酰蔗糖（3,6-diFer sucrose）。在BAHD家族中找到了四个酶（SFT1、SFT2、SFT3和SFT4）可以催化蔗糖和阿魏酰-CoA生成3-O-阿魏酰蔗糖（3-O-Fer sucrose），为DOW1提供底物。膜蛋白中存在一个水解酶可将3,6－二阿魏酰蔗糖脱阿魏酰化形成6-O-阿魏酰蔗糖（6-O-FA sucrose）。稳定同位素示踪实验表明，3,6－二阿魏酰蔗糖O-3和O-6位的阿魏酰基可以转移到细胞壁的木聚糖上，证明3,6－二阿魏酰蔗糖是木聚糖阿魏酰化的直接或间接供体，而6-O-阿魏酰蔗糖不是木聚糖阿魏酰化供体。以上结果揭示了单子叶植物中一个未知的阿魏酰蔗糖循环途径介导了细胞壁木聚糖的阿魏酰化（图1）。

图1. 单子叶植物细胞壁蔗糖阿魏酰化循环

山东大学生命科学学院谭保才教授为本文的通讯作者，博士后杨大林为该论文第一作者，团队已毕业博士李晓杰、张亚峰、刘慧和杨欢欢参与了该项研究。山东大学微生物技术研究院李盛英教授及团队成员张兴旺副研究员和刘明钰在读博士参与解析了3,6－二阿魏酰蔗糖的核磁共振数据。佛罗里达大学的Donald McCarty和Karen Koch教授对论文提出了建设性意见。该研究得到了国家自然科学基金重点项目（32230075）资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01781-1

Nature Plants | 清华大学戚益军教授团队发现RNA聚合酶Pol V转录产物在调控基因表达和植物抗病虫中的全新功能

真核生物有三种非常保守的RNA聚合酶， Pol I、Pol II和Pol III，它们分别产生rRNA、mRNA和tRNA等不同种类的RNA。而在植物中，还存在两种额外的RNA聚合酶，Pol IV和Pol V。Pol IV和Pol V转录本在RNA介导的DNA甲基化（RdDM）通路中发挥关键作用。其中，Pol IV转录本可被加工成24-nt siRNA，siRNA与AGO4蛋白结合，并通过与Pol V转录本互补配对，将AGO4复合物招募至靶标位点，介导DNA从头甲基化。

戚益军课题组前期意外发现，与野生型相比，昆虫更喜欢取食pol v突变体叶片，而对pol iv突变体并无明显偏好。

2024年8月26日，清华大学戚益军教授团队在Nature Plants发表了题为“An RdDM-independent function of Pol V transcripts in gene regulation and plant defence”的研究论文。该研究揭示Pol V转录本以独立于RdDM通路的方式，促进邻近基因的转录，从而正向调控植物对灰霉和甜菜夜蛾的抗性。

该研究在前期意外发现的指引下，首先通过对pol iv和pol v突变体进行mRNA-seq，鉴定受Pol V特异调控的基因。结果表明，近500个基因在pol v突变体中特异上调，近1500个基因下调

有趣的是，在pol v突变体中特异下调的基因，显著富集于茉莉酸（JA）信号通路，表明Pol V可正向调控JA信号通路。已知JA信号通路的激活与植物对死体营养型真菌和杂食性昆虫幼虫取食的防御密切相关。与前期发现相一致的是，pol v突变体对灰霉和甜菜夜蛾的抗性明显下降，而pol iv和其它RdDM通路突变体并无类似表型（图2）。这些结果表明，Pol V可通过独立于RdDM通路的方式调控基因表达和植物对病虫的抗性。

图2：pol v突变体对灰霉和甜菜夜蛾的抗性下降

该研究进一步探索了Pol V如何调控基因表达。通过系统分析，鉴定了13000多个Pol V转录本（PVT），并发现近一半受Pol V调控的基因附近存在PVT。为了验证PVT是否可以直接调控邻近基因表达，该研究选取了JA响应基因ERF5和ERF6上游区域产生的PVT，PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6，进行深入研究。通过CRISPR/Cas9技术敲除或利用人工miRNA敲减PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6，证明这些PVT为ERF5和ERF6高效表达及植物对灰霉和甜菜夜蛾的抗性所必需。这些结果表明，Pol V可通过其转录产物正向调控ERF5和ERF6表达，从而增强植物对病虫的抗性。

该研究最后探究了PVT调控基因表达的机制。发现PVT在转录水平调控ERF5和ERF6的表达。已知非编码RNA可通过招募组蛋白修饰酶或调节其活性，调节靶位点组蛋白修饰，从而调控基因转录。其中，H3K4me3是一种与基因转录激活相关的组蛋白修饰。该研究检测了pol v突变体和pvt突变体中ERF5和ERF6位点的H3K4me3水平，发现PVT为ERF5和ERF6位点上H3K4me3积累所必需，这表明PVT很可能通过促进H3K4me3的累积，增强ERF5和ERF6的表达。

综上，该研究揭示了Pol V转录本以独立于RdDM通路的方式调控邻近基因转录的功能，革新了人们对Pol V转录本调控功能的认识。该研究还发现Pol V广泛调控生物和非生物胁迫响应相关基因。Pol V存在于所有陆生植物中，但不同的植物种类具有不同的Pol V全酶，Pol V介导的胁迫响应调节在植物演化中何时出现，以及是什么驱使了Pol V获得调节胁迫响应的功能仍需进一步探索。

清华大学戚益军教授为该论文的通讯作者，博士后袁宇翔和博士生刘宇杰为论文的共同第一作者，已毕业博士生韩露、助理研究员李艳博士参与了部分研究。北京生命科学研究所何新建研究员和清华大学生命学院谢道昕教授提供了实验材料和方法上的帮助。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、新基石科学基金会和清华-北大生命科学联合中心资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01774-0

Nature Plants | 华中农业大学油菜团队赵伦课题组开发aChIP技术揭示油菜干种子表观遗传调控新模式

精准鉴定染色质相关蛋白的全基因组结合位点与特征对于全面理解其功能至关重要。染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）技术广泛应用于鉴定全基因组组蛋白修饰和转录因子以及染色质修饰酶等染色质相关蛋白的结合位点，是表观基因组和功能基因组研究的核心技术之一。作物种子、果蔬果实和花卉林木等作物重要经济器官为人类提供必需的营养物质、工业原料和美学享受，是人类生存和文明发展的重要基础。然而，由于这些经济器官通常具有坚硬的细胞壁和复杂的细胞代谢物，现有ChIP-seq技术难以适用，阻碍了其深入研究。因此，亟需开发一种高效、稳定、广泛适用于植物经济器官的ChIP-seq新方法，助力作物经济器官表观基因组和功能基因组研究。

2024年8月23日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室油菜遗传改良创新团队赵伦课题组在国际学术期刊Nature Plants发表了题为“aChIP is an efficient and sensitive ChIP-seq technique for economically important plant organs”的研究论文。该研究开发了一种普遍适用于植物经济器官的aChIP技术，以油菜为例，首次解析了作物种子休眠和萌发过程中组蛋白修饰景观的动态变化及其潜在功能。

ChIP-seq被认为是鉴定全基因组组蛋白修饰和染色质相关蛋白结合位点的金标准。染色质相关蛋白包括组蛋白、转录因子和染色质修饰酶等。然而，由于作物经济器官通常具有坚硬的细胞壁和复杂的细胞代谢物（如淀粉、油脂、蛋白质、糖类、酚类、色素、果胶和纤维等），使得现有ChIP-seq等技术难以应用于这些器官。据统计，目前已发表的植物ChIP-seq数据中，仅有3.5%来自植物经济器官，且其数据质量有待提高。

为突破这一技术瓶颈，该研究通过创新染色质分离策略，开发了aChIP技术。aChIP能够同时有效去除植物细胞壁和细胞内含物，显著提高染色质提取效率和免疫共沉淀效率。aChIP技术适用于所有测试的14种植物经济器官（包括油菜、大豆、玉米、水稻和拟南芥种子、番茄果实、土豆块茎、橙子果皮和果肉、康乃馨花瓣、甘蔗和杨树茎秆等），成功绘制了多种代表性组蛋白修饰图谱并鉴定了染色质蛋白（如转录因子CAMTA3、DNA结合蛋白MBD7和DNA去甲基化酶DME）的全基因组结合位点。这些结果证明aChIP对不同作物经济器官的普适性和稳定性。

图1. aChIP技术适用于开花后50天的油菜种子

图2. aChIP技术对不同作物经济器官的普适性和稳定性

此外，作物干种子对ChIP-seq技术来说是极限挑战。与幼苗等活跃的新鲜组织相比，干种子处于休眠状态，细胞活动极弱，但储存了丰富的代谢和营养物质，是一个特殊的组织和发育阶段。长期以来，干种子中是否存在组蛋白修饰，有哪些类型，其功能是什么，均不清楚。该研究利用aChIP技术，首次揭示了油菜等作物干种子中的组蛋白修饰景观，确定作物干种子中仍然存在多种不同类型的组蛋白修饰，为进一步研究其转录调控功能奠定了数据基础。

再者，在植物营养组织中，aChIP的ChIP-DNA富集效率是现有方法的3-50倍，同时能够鉴定大量现有方法未鉴定到的低丰度修饰位点。这些结果证明了aChIP的高效性和灵敏性。

图3. aChIP在营养组织中更高效更灵敏

最后，本研究深入探究了油菜种子休眠和萌发过程的表观遗传调控模式。利用aChIP技术产出了油菜开花后50天种子、干种子、萌发种子和幼叶中5种代表性的高质量组蛋白修饰数据。联合分析转录组数据，发现油菜种子休眠和萌发过程中发生了剧烈的组蛋白修饰景观重塑。与幼叶等新鲜组织不同，种子脱水休眠过程组蛋白修饰与基因转录的相关性逐渐减弱，干种子中基本消失，但种子萌发时迅速恢复。这是首次解析油菜种子休眠和萌发过程的组蛋白修饰景观动态变化，揭示了干种子中特有的表观遗传修饰模式及其潜在功能。

图4. 油菜干种子中组蛋白修饰模式与基因转录丰度“脱钩”

Nature plants同期配发了题为“aChIP for comprehensive chromatin profiling in economically important plant organs”的研究简报。期刊编辑对此项研究给予了高度评价，指出“由于植物细胞壁和多种代谢产物的复杂性，许多具有重要经济价值的植物器官的ChIP-seq实验难以成功。这项研究的亮点在于开发了一种创新的aChIP技术，成功解决这些问题，绘制了多个物种和器官的组蛋白修饰和转录因子结合位点图谱，为植物重要经济器官（如油菜干种子）提供了高质量的ChIP-seq数据”。

综上所述，aChIP是一种高质、高效、灵敏、稳定的植物高阶ChIP-seq技术，适用于所有测试的植物器官，特别是作物重要经济器官。这一技术将显著推进油菜等作物经济器官表观基因组和功能基因组研究，为作物遗传改良提供坚实的技术基础。

华中农业大学博士后章清和博士研究生钟文莹为论文共同第一作者，华中农业大学赵伦教授为通讯作者。华中农业大学傅廷栋院士、沈金雄教授、李国亮教授和南方科技大学朱健康院士等给与了重要指导，华中农业大学张飞教授、杨宁教授、丁寄花教授、傅小鹏教授和南京大学陈迪俊教授等提供了相关材料和数据。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后科学基金等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01743-7

Nature Plants | 中国农业大学梁鹏博团队应邀撰写共生固氮信号转导观点文章

利用共生微生物为植物提供养分，是在作物生产中实现全球碳中和的有效手段。然而，完全依赖微生物是不现实的，目前化肥的使用仍然是获得持续高产的必要条件。长期以来，人们了解到豆科植物和固氮根瘤菌之间的共生关系会受到氮的抑制。这是因为这种共生关系是互惠的，并且与植物的环境响应密切相关，其分子机制尚未完全理解。在最近的Nature杂志中，丹麦奥胡斯大学林杰顺和Dugald Reid团队联合揭示了锌如何在氮丰富的环境中调节共生固氮，展现了锌感应蛋白在基因表达调控中的独特作用模式。

2024年8月12日，中国农业大学生物学院梁鹏博团队联合日本筑波大学Takuya Suzaki教授在Nature Plants上发表了题为“Zinc sensing in nodules regulates symbiotic nitrogen fixation”的News&views论文。文中指出根瘤“锌”型感受器FUN对“根际氮浓度-根瘤细胞内锌浓度-功能性根瘤”的分子调控模式，及其在现代农业中的高效固氮豆科植物改良的巨大潜力。此外，锌调控转录因子的聚集状态对分子生物学的基础研究推进具有重要的意义。

论文围绕以下四部分进行了综述和展望：

1.植物NLP响应硝酸盐

高浓度的硝酸盐抑制共生的多个关键步骤，加速根瘤的衰老。在已报道的响应机制中，植物转录因子NLP参与调控硝酸盐响应通路，包括硝酸盐同化和硝酸盐转运，在固氮植物中NLP还参与硝酸盐诱导的结瘤相关基因的表达调控。

2. FUN响应硝酸盐，促进根瘤衰老

为了解析根瘤中硝酸盐响应机制，研究人员以模式植物百脉根为研究对象，筛选成熟根瘤在高硝酸盐处理下仍具有固氮功能的突变体，研究筛选到了Fixation Under Nitrate (FUN)基因，fun突变体根瘤在高硝酸盐下仍保持粉色且具有正常固氮酶活。FUN基因编码一个bZIP转录因子，属于TGA家族。FUN直接靶向激活NAC094(调控根瘤衰老)以及HO1(豆血红蛋白降解)促进根瘤衰老。这一研究结果不仅解析了成熟根瘤中氮阻遏的机制，且在农业生产应用中具有实际意义，为优化高氮胁迫环境下的正常固氮，增加氮的可利用性，减少氮肥的投入提供了可能的切入点。

3.第二信使锌通过FUN参与根瘤固氮的调节

FUN响应环境硝酸盐，但转录水平并不受到硝酸盐影响。体外实验证明FUN具有金属结合结构域以感应锌离子。高锌使FUN聚集为丝状，且该过程以锌剂量依赖的方式可逆。锌抑制FUN对下游靶基因的激活，从而缓解FUN介导的氮阻遏效应。环境中硝酸盐浓度低导致根瘤中锌的积累，但锌发挥功能的机制尚不清楚。由于锌参与铁稳态的研究已有报道，且铁是固氮所必须的元素，因此推测锌可能通过与铁互作发挥功能。

4.未来展望：锌对转录因子的调控机制值得更加深入广泛的研究

锌可逆改变FUN的聚集状态从而参与共生调控这一过程之前并未报道过。真核生物中，转录因子以二聚体的形式结合在DNA的大沟上以发挥功能，因此需要更高分辨率的图像以确定低锌是否导致FUN从细丝状态解体为具有活性的同源二聚体状态。对FUN具体功能的解析在共生领域甚至整个基础生物学的研究具有重要的意义。除此之外，bZIP家族的转录因子参与到多种生物学过程，因此锌对其他生物学过程中转录因子的调控解析也将是一项有趣的研究。

中国农业大学生物学院博士新生乔李锦为该论文第一作者，中国农业大学梁鹏博研究员为通讯作者，日本筑波大学Takuya Suzaki教授为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01758-0

Nature plants | 中国农业科学院基因所开发HapHic：无需参考基因组的单倍型基因组组装新工具

支架对于构建大多数染色体水平的基因组至关重要。高通量染色质构象捕获 (Hi-C) 技术由于其便利性和成本效益而成为主要的支架策略。随着测序技术和组装算法的进步，构建单倍型分辨基因组越来越受到青睐，因为单倍型可以提供有关等位基因和非等位基因变异的额外遗传信息。ALLHiC 是一种广泛使用的等位基因感知支架工具，专为此目的而设计。然而，它对染色体水平参考基因组的依赖和更高的染色体错误分配率仍然阻碍了单倍型分辨基因组的解开。

2024年8月5日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）张兴坦研究员团队联合南方科技大学陈国安副教授课题组、湖南农业大学易自力教授团队合作在Nature Plants发表了题为 “Chromosome-level scaffolding of haplotype-resolved assemblies using Hi-C data without reference genomes”的研究论文。该研究开发了新的Hi-C挂载工具HapHiC，可以无需参考基因组实现染色体水平单倍体分型挂载。

该研究介绍了 HapHiC，一种参考独立的等位基因感知支架工具，在染色体分配以及重叠群排序和方向上具有卓越的性能。此外，我们通过对各种不利因素进行全面分析，为等位基因感知支架的挑战提供了新的见解。最后，在HapHiC的帮助下，我们构建了单倍型解析的巨芒（一种重要的木质纤维素生物能源作物）异源三倍体基因组。

基因组所张兴坦团队曾筱菲副研究员为本文第一作者和共同通讯作者，南方科技大学医学院陈国安副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、深圳市自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01755-3

2024年5月7日，中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室李继刚课题组在Nature Plants在线发表题为Liquid-liquid phase separation of TZP promotes PPK-mediated phosphorylation of the phytochrome A photoreceptor的研究论文。该研究证明蛋白激酶PPKs能够直接磷酸化植物的光受体phyA，并揭示TZP通过液-液相分离促进phyA和PPKs的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA磷酸化的分子机制。

增加种植密度是提高作物产量的有效途径，但是在高密度种植条件下植株叶片相互遮挡，使遮荫环境中富含远红光，诱发植物产生避荫反应，表现为叶柄伸长、开花提前等 (Han et al., 2024)。避荫反应是植物在竞争有限光照的逆境下产生的适应性反应，但是会对农作物产量产生负面影响。光敏色素A (phytochrome A, phyA) 是植物唯一能在远红光下起始光信号转导的光受体 (Li et al., 2011)。深入解析phyA信号感知和传递的分子机制，不但有助于深刻理解光信号调控网络，还为作物耐密植分子设计育种提供理论指导。

四十多年前，人们就发现燕麦phyA在体内能够被磷酸化 (Quail et al., 1978; Hunt and Pratt, 1980)，但是至今仍未鉴定出能够特异磷酸化phyA的蛋白激酶。2018年，李继刚课题组在拟南芥中鉴定到远红光信号传递的新组分TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3 (TZP)，发现TZP能够与phyA相互作用并且调控phyA在植物体内的蛋白磷酸化 (Zhang et al., 2018)。进一步研究表明，磷酸化的phyA可能是活性更强的形式，在远红光信号转导中发挥重要功能 (Zhang et al., 2018; Zhou et al., 2018)。但是TZP自身并没有激酶结构域，其如何调控phyA在体内的磷酸化，目前并不清楚。

该研究首先提出TZP可能会招募某类蛋白激酶来磷酸化phyA的假设。为了验证这一猜想，首先通过酵母双杂交实验鉴定到能够与TZP直接相互作用的蛋白激酶PHOTOREGULATORY PROTEIN KINASES (PPKs，也被称作MUT9-LIKE KINASES)。该蛋白激酶家族包括四个成员 (PPK1−PPK4)，但是迄今并没有PPKs参与调控植物远红光信号转导的相关报道。有趣的是，在ppks突变体中phyA的磷酸化条带消失，表明PPKs介导phyA在体内的磷酸化。进一步的生化实验证明PPKs能够与phyA直接互作，并且在体外、体内磷酸化phyA。表型分析结果显示ppks突变体对远红光的响应有明显缺陷，表明PPKs确实是远红光信号转导的重要调控因子。

随后，研究人员进一步探究了TZP如何介导PPKs对phyA的蛋白磷酸化。值得注意的是，TZP的N端含有两个内在无序区 (intrinsically disordered regions, IDRs)。近年的研究表明，IDRs作为能发生液-液相分离 (liquid-liquid phase separation) 蛋白常见的结构域，介导相分离和生物分子凝聚体的形成 (Xu et al., 2021)。而TZP在植物照射远红光后能够在体内形成核内小体 (nuclear bodies, NBs)，暗示TZP NBs可能具有液-液相分离属性。有趣的是，远红光无法在phyA突变体背景中诱导TZP NBs的形成，表明TZP NBs的形成依赖phyA，在远红光信号转导中可能具有生物学功能。随后，该研究证明TZP在体内、体外确实能够发生液-液相分离，并且两个IDRs都是TZP液-液相分离所必需的。

那么，TZP液-液相分离与PPKs磷酸化phyA之间有什么关联呢？免疫共沉淀实验结果表明，TZP能够促进phyA和PPK1的相互作用。而激光共聚焦显微镜观察结果显示，在植物细胞中共表达PPKs和phyA时，它们在细胞核中只形成较小的NBs且不能共定位，而同时表达TZP后，PPKs和phyA均共定位于TZP形成的较大NBs中。最后，该研究把TZP的IDRs替换为人FUS蛋白的IDR结构域，结果显示该人工TZP能够与野生型TZP一样完全回补tzp突变体在远红光下长下胚轴的表型，而缺失IDRs的TZP则不能完全回补tzp突变体表型，表明TZP IDRs驱动的液-液相分离是TZP行使正常功能所必需的。

综上，TZP通过将PPKs和phyA招募到其液-液相分离形成的NBs中，促进它们的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA的磷酸化 (图1)。该研究鉴定到第一类能够磷酸化phyA的蛋白激酶PPKs，并且阐明TZP通过液-液相分离促进PPKs磷酸化phyA的分子机制，为进一步深入解析远红光信号途径以及光信号调控网络提供了新的见解。

图1. 远红光下TZP的液-液相分离促进PPKs磷酸化phyA的工作模型。在远红光下，phyA在FHY1协助下进入细胞核后与TZP和PPKs均相互作用，PPKs能够直接磷酸化phyA和TZP。远红光诱导TZP发生液-液相分离，将PPKs和phyA招募到其液-液相分离形成的NBs中，促进它们的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA的磷酸化。磷酸化的phyA可能是活性更强的形式，在远红光信号转导中发挥重要功能，也是COP1/SPAs E3泛素连接酶复合体优先降解的底物。

李继刚课题组博士后冯子懿和博士生王美娇为该论文的共同第一作者，李继刚教授为通讯作者。北京大学邓兴旺教授和钱伟强研究员、中国农业大学郭岩教授和田丰教授、清华大学方晓峰教授以及南京师范大学钟伯坚教授也合作参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的经费支持，冯子懿博士得到了中国农业大学长周期基础研究博士后政策支持。

参考文献：

Han, R., Ma, L., Terzaghi, W., Guo, Y. & Li, J. Molecular mechanisms underlying coordinated responses of plants to shade and environmental stresses. Plant J. 117, 1893–1913 (2024).

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Li, J., Li, G., Wang, H. & Deng, X.W. Phytochrome signaling mechanisms. Arabidopsis Book 9, e0148 (2011).

Quail, P. H., Briggs, W. R. & Pratt, L. H. In vivo phosphorylation of phytochrome. Carnegie Institution Annual Report, Department of Plant Biology, Carnegie Institution of Washington Stanford, CA 342–344 (1978).

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Zhang, S. et al. TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3 is a key component of phytochrome A signaling. Plant Cell 30, 835–852 (2018).

Zhou, Y. et al. Hinge region of Arabidopsis phyA plays an important role in regulating phyA function. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, 11864–11873 (2018).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01679-y

9、Nature Plants | 四川农业大学水稻重大病害抗性团队揭示RNA修饰调控水稻抗病性的新机制

RNA修饰是转录后调控中一种重要的表观遗传修饰方式，广泛存在于动物、植物和微生物等物种中。研究表明，RNA修饰可以通过调控细胞内RNA的剪切、稳定性和翻译效率等，影响RNA功能、蛋白丰度，进而影响细胞分化、发育、胁迫响应等各种生物学过程。但是，在植物中关于RNA修饰仍存在大量未知，比如病原菌侵染植物时RNA修饰动态调控转录后重编程的分子机制仍不清楚。

2024年9月24日，四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室/农学院水稻重大病害抗性团队在Nature Plants期刊上发表了题为Dynamics of epitranscriptomes uncover translational reprogramming directed by ac4C in rice during pathogen infection的研究论文，系统的分析了稻瘟菌侵染前后宿主细胞的mRNA翻译重编程，发现了RNA乙酰化修饰作为调控mRNA翻译效率的重要转录后修饰，在水稻抵御稻瘟菌过程中发挥了重要作用。

稻瘟病等病害严重危害水稻的安全生产。四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室/农学院水稻重大病害抗性团队一直致力于阐明水稻重大病害抗性调控的分子机制，取得了系列重要进展。为揭示RNA修饰在转录后重编程中起着关键作用，该团队在本研究中系统性的鉴定了稻瘟菌侵染前后翻译重编程mRNA和6种主要RNA修饰（m1A、2’O-Nm、ac4C、m5C、m6A、m7G）的差异修饰位点。相关性分析表明，具有RNA修饰的mRNA比不具有RNA修饰的mRNA展现更高的丰度和翻译效率。聚类分析表明，在稻瘟病侵染后，生长发育进程相关基因的mRNA翻译效率显著降低，免疫信号通路相关基因的mRNA翻译效率显著增强。更为重要的是，该团队发现稻瘟病侵染时，RNA乙酰化修饰动态和mRNA翻译重编程显著正相关。深入分析表明，富集于密码子第三位的RNA乙酰化修饰（ac4C）增强了脂质代谢和茉莉酸合成相关mRNA的翻译效率。RNA乙酰基转移酶OsNAT10作为调控RNA乙酰化修饰的关键因子，参与调控水稻抗病性。在OsNAT10敲除突变体中，水稻体内mRNA乙酰化水平显著降低，茉莉酸合成受阻，植株对稻瘟病的抗性降低。综上所述，该研究为通过表观重编程提高作物抗病性提供了新的基因资源，并为阐明RNA修饰平衡水稻产量和抗性的分子机理奠定了坚实基础。

西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室副教授陆翔、博士研究生何曜、已毕业硕士郭瑾俏、硕士研究生王岳和言茜为论文的共同第一作者，王静教授、陈学伟教授、陆翔副教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家科技重大专项-生物育种，国家自然科学基金，以及四川省自然科学基金的资助。

值得一提的是，本研究是该团队近月来继在Developmental Cell（点击查看： Dev Cell 背靠背 | 四川农业大学/中国农科院同时揭示泛素连接酶调控水稻抗病与开花的新机制）、Nature Communications (Nature Commun | 四川农业大学揭示水稻抗病与产量平衡的调控新机制）后发表的关于水稻抗病与生长平衡机制的第三篇CNS子刊。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-024-01800-1

注：部分来源艾朗编辑

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4MjkwOTE3OQ==&mid=2247537419&idx=1&sn=c7a5da24b530aca5b41954361c3f1e7b

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