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CRISPR/Cas9技术是利用RNA靶向引导Cas9核酸酶对基因组中的目标基因进行编辑的生物技术。近年来, 该技术的多种新型基因编辑器更新迅猛, 编辑效果愈加精细和高效, 在作物定向分子设计育种中展现出巨大的应用前景。该文对CRISPR/Cas9及其相关编辑器的技术原理、编辑效果和应用情况进行综述, 并探讨了该技术在应用中面临的问题、应对措施和发展前景, 旨在为相关领域的科研工作者提供参考。

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2020年中国植物科学家在国际综合性学术期刊及植物科学主流期刊发表的论文数量比上一年显著增加, 在植物发育、耐逆、系统进化和作物生物学等领域取得了重要研究进展。其中, “小麦抗赤霉病基因 Fhb7的克隆、机理解析及育种利用”和“提高作物品种氮肥利用效率的新机制”两项成果入选2020年度“中国生命科学十大进展”。该文总结了2020年我国植物科学研究取得的成绩, 简要介绍了30项代表性的重要进展, 以帮助读者了解我国植物科学发展态势, 思考如何更好地开展下阶段的研究, 服务国家需求。

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MYB转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一, 参与植物的生长、代谢、抵御生物和非生物胁迫等多种生理生化过程。R2R3-MYB是MYB转录因子家族的主要存在形式。辣椒是具有重要经济价值的蔬菜作物, 其R2R3-MYB转录因子缺乏系统的研究。从一年生辣椒(Capsicum annuum)、浆果状辣椒(C. baccatum)和中国辣椒(C. chinense)基因组中分别鉴定出94、92和94个R2R3-MYB基因, 基于系统发育关系将其分为28个亚族。共线性分析表明, 3种辣椒间存在73组直系同源R2R3-MYB基因, 一年生辣椒、浆果状辣椒和中国辣椒分别存在5、4和2个特有的R2R3-MYB基因。鉴定出12对重复基因, 其中8对是串联重复基因, 它们在3种辣椒分化前就已经存在。比较基因组学分析表明, 在辣椒进化过程中同源R2R3-MYB转录因子发生了功能分化。组织表达分析表明, 辣椒R2R3-MYB基因主要有3种表达特征: 在根、叶、茎和花中均高表达, 如CaMYB13/CbMYB12/CcMYB13; 仅在花中高表达, 如CaMYB93/CbMYB86/CcMYB12; 仅在根中高表达, 如CaMYB48/CbMYB47/CcMYB51。研究结果为深入揭示R2R3-MYB转录因子在辣椒生长发育中的生物学功能奠定了基础。

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自噬(autophagy)是真核生物长期进化形成的一种高度保守的细胞内物质降解和周转途径, 通过形成双层膜结构的自噬体将包裹其中的待降解大分子物质, 如受损伤的蛋白质、蛋白质复合物和细胞器, 运送至液泡或溶酶体进行降解并产生可循环利用的降解产物。细胞自噬在植物生长发育和环境应答等过程中发挥重要作用。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等模式植物中已鉴定到40多个自噬基因, 并发现其中多个基因在植物叶片衰老、种子成熟等发育阶段以及营养饥饿、干旱和病原菌侵染等逆境胁迫响应过程中显著上调表达, 但具体的转录激活或抑制机制有待阐明。该文综述了自噬基因在植物生长发育和胁迫应答过程中的功能与转录调控网络。

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邻近标记作为近些年发展起来的一项检测活细胞内蛋白互作关系和亚细胞结构蛋白组的新型技术, 已成功应用于多种动植物体系的研究。该技术通过给诱饵蛋白融合一个具有特定催化连接活性的酶, 在酶的催化作用下将小分子底物(如生物素)共价连接到酶邻近的内源蛋白, 通过富集和分析被标记的蛋白可获得与诱饵互作的蛋白组。经定向进化产生的生物素连接酶TurboID具有无蛋白毒性及催化效率高的优势。利用TurboID介导的邻近标记技术分析感兴趣蛋白的邻近蛋白组, 可研究细胞内瞬时发生或微弱的蛋白互作网络, 进而解析复杂的生物学过程。该文详细描述了在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中基于TurboID的邻近标记实验方法及注意事项, 旨在为利用这一新技术研究植物蛋白互作关系提供参考。

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种子萌发是子代植株建立、生长和繁育的重要阶段, 在种子植物生命周期中起重要作用。种子休眠是在发育过程中形成的, 在生理成熟期达到峰值。种子休眠与萌发的植物激素调控可能是种子植物中一种高度保守的机制。细胞分裂素(CK)是植物体内的一种重要信号分子, 调控植物生长发育的许多方面。生物活性CK的水平由其生物合成、活化、失活、再活化和降解之间的平衡所调控, 种子的发育、休眠与萌发受生物活性CK的水平和信号转导途径调控。该文综述了CK的生物合成与代谢、信号转导以及对种子发育、休眠与萌发的调控作用, 提出了在本领域需要进一步研究的科学问题, 旨在为理解CK调控种子发育、休眠与萌发的分子机理提供参考。

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生长素极性运输调控植物的生长发育。生长素极性运输主要依赖3类转运蛋白: AUX/LAX、PIN和ABCB蛋白家族。生长素在细胞间流动的方向与PIN蛋白在细胞上的极性定位密切相关。PIN蛋白由1个中心亲水环和2个由中心亲水环隔开的疏水区组成。中心亲水环上含多个磷酸化位点, 其为一些蛋白激酶的靶点。PIN蛋白受多方面调控, 包括转录调控、转录后修饰以及胞内循环与降解, 以响应内源和外源信号。目前, 利用全基因组测序方法在禾谷类作物水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和高粱(Sorghum bicolor)中分别鉴定出12、15和11个PIN基因, 但仅有少数PIN基因的功能被报道。该文从蛋白结构、活性调控和功能验证等方面综述了PIN蛋白在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和禾谷类作物中的研究进展, 以期为探究PIN蛋白家族介导的生长素极性运输过程提供新的思路与线索。

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转录因子ABI4参与植物激素ABA的绝大多数生物学功能, 它不仅是ABA和GA在植物体内含量平衡的核心调控因子, 同时还连接ABA与植物细胞内多个信号通路。利用拟南芥(Arabidopsis thaliana) ABI4序列在十字花科其它19种植物(除拟南芥外)中检索得到27个同源基因, 通过序列多态性分析、系统发生重建、染色体共线性分析和转录激活活性比较, 探讨了该基因在十字花科植物中的演化历史。结果表明, ABI4蛋白质序列和结构在十字花科植物中具有较高的保守性, 暗示了其功能的重要性; 单独的ABI4蛋白并不具备显著的转录激活活性, 说明其生物学功能的具体分子机制可能相对复杂, 需要进一步探讨。

摘要 （862）   HTML （16）    PDF （913KB）（1172）    可视化    收藏

植物细胞依赖细胞质膜上的受体感知并传递环境信号, 而受体通过与配体特异结合启动一系列下游信号转导途径, 维持植物正常的生命活动及其对外界环境变化的适应。类受体激酶是其中一类重要受体, 通常由胞外结合结构域、跨膜结构域和胞内激酶结构域3部分组成, 是植物适应外界环境变化的重要调节枢纽。FER属于CrRLK1L类受体蛋白激酶家族, 最早被发现在高等植物雌雄配子体识别过程中发挥作用。随后, 众多研究表明, FER在植物生长发育、激素间交互作用、植物与病原菌互作和逆境响应等多种生物学过程中扮演重要角色, 是近年来植物信号通路研究领域的“明星蛋白”。随着植物病理学研究的不断深入, FER在植物与病原菌互作过程中的功能备受关注。该文主要综述FER调节植物与病原菌互作的研究进展, 旨在为进一步解析类受体蛋白激酶在植物细胞响应病原菌侵染过程中的信号转导机制提供参考。