利用高通量测序技术发现植物小分子RNA研究进展

 小分子RNA是一类长约20～30个核苷酸的非编码RNA分子,其介导的转录后基因调控是植物中的一种新型基因调控机制。它在植物的生长发育和适应外界各种环境胁迫的过程中起着非常重要的作用。植物中小分子RNA数量巨大、种类繁多,而高通量测序技术的出现大大加快了它们的发现过程。本文在简要介绍目前已知植物小分子RNA的类型及特点的基础上,综合阐述近年来利用高通量测序技术克隆和分析植物小分子RNA的研究成果,以期反映当前植物小分子RNA的基因组分布规律、功能和进化等方面的最新研究进展。     

植物表观遗传中的RNA介导的DNA甲基化

植物基因组对基因的表达调控不仅表现在转录水平上,也表现在染色质结构的变化上。在植物中存在着特有的RNA 聚合酶Ⅳ (RNA Pol Ⅳ) 和 RNA聚合酶Ⅴ (RNA Pol Ⅴ),它们与RNA 聚合酶Ⅱ(RNA Pol Ⅱ)相似。RNA Pol Ⅳ和RNA Pol Ⅴ的转录产物包括参与表观遗传调控的长链非编码RNA (lncRNAs)和干扰小RNA (siRNAs)。这类非编码RNA广泛地参与了基因组上发生的胞嘧啶甲基化,去甲基化以及甲基化扩散。近年来,研究已经发现RNA介导的染色质水平的基因沉默涉及植物的生长发育、胁迫应答、表观遗传多态性,并对植物的表型多样化、生理适应性以及植物进化具有显著影响。     

Metabolic diversification--independent assembly of operon-like gene clusters in different plants

Operons are clusters of unrelated genes with related functions that are a feature of prokaryotic genomes. Here, we report on an operon-like gene cluster in the plant Arabidopsis thaliana that is required for triterpene synthesis (the thalianol pathway). The clustered genes are coexpressed, as in bacterial operons. However, despite the resemblance to a bacterial operon, this gene cluster has been assembled from plant genes by gene duplication, neofunctionalization, and genome reorganization, rather than by horizontal gene transfer from bacteria. Furthermore, recent assembly of operon-like gene clusters for triterpene synthesis has occurred independently in divergent plant lineages (Arabidopsis and oat). Thus, selection pressure may act during the formation of certain plant metabolic pathways to drive gene clustering.     

巴西橡胶树表观遗传研究进展

表观遗传是指在不涉及基因组DNA序列改变的情况下,基因功能发生了可逆的、可遗传的改变。研究表明,表观遗传调控在植物的生长发育及逆境胁迫应答反应中起着重要的作用。目前,表观遗传学研究主要集中在DNA甲基化、小RNA调控、组蛋白修饰、染色质重塑及基因组印迹等。与模式植物相比,橡胶树表观遗传的研究相对滞后,主要涉及DNA甲基化及miRNAs研究这2个方面。本文就橡胶树DNA甲基化及miRNAs的相关研究进行了简要综述,并对表观遗传在橡胶树中的研究前景提出展望。     

RNAi及其在哺乳动物中的应用*

 RNA干扰(RNAi)是由特定双链RNA(dsRNA)引发的转录后基因沉默,广泛存在于真菌、植物和动物中,它是近年来迅速发展起来的高效、特异、易操作的基因阻断技术,在功能基因组的研究中有着广阔的应用前景。研究表明,断裂dsRNA产生的小干扰RNA(siRNA)可抑制哺乳动物基因表达。从哺乳动物整体水平应用研究的角度,对RNAi的分子机制、生物学功能和特点,siRNA导入体内的方法以及应用等方面的研究作一综述。     

植物中依赖于RNA的RNA聚合酶研究进展

依赖于RNA的RNA聚合酶(RDR)能够以单链RNA为模版合成互补RNA链,产生双链RNA。双链RNA在细胞内被类似RNaseⅢ的酶DCL加工成20～24 nt的小分子干扰RNA(siRNA)。siRNA可以在转录水平或转录后水平抑制靶基因的表达。RDR通过基因沉默途径参与植物的生长发育调节、逆境应答以及表观遗传修饰等许多生物学过程。加深对植物RDR表达模式、生化活性及生物学功能等方面的理解将有利于植物基因沉默的发展和运用。     

Hairpin RNAs and retrotransposon LTRs effect RNAi and chromatin-based gene silencing

The expression of short hairpin RNAs in several organisms silences gene expression by targeted mRNA degradation. This RNA interference (RNAi) pathway can also affect the genome, as DNA methylation arises at loci homologous to the target RNA in plants. We demonstrate in fission yeast that expression of a synthetic hairpin RNA is sufficient to silence the homologous locus in trans and causes the assembly of a patch of silent Swi6 chromatin with cohesin. This requires components of the RNAi machinery and Clr4 histone methyltransferase for small interfering RNA generation. A similar process represses several meiotic genes through nearby retrotransposon long terminal repeats (LTRs). These analyses directly implicate interspersed LTRs in regulating gene expression during cellular differentiation.     

玉米ZmSKIP基因的克隆转化

随着淡水资源的匮乏,干旱已成为影响玉米产量众多因素中最主要的非生物因素。而植物的耐旱性又属于数量遗传性状,这给广大遗传育种工作者带来了一个很大的难题。SKIP基因属于RNA调控基因,它参与调节生物体内多种RNA的剪切调控,进一步调整植物状态,应对逆境环境。利用BLAST搜索玉米基因组,得到相似度99%的玉米基因,命名为ZmSKIP。对该基因克隆和生物信息学分析,构建过量表达载体,使用原位转化法得到过表达该基因的转基因株。对转基因株进行耐旱性实验,并使用ELISA方法检测转基因株的ABA含量。结果显示,转基因株中ABA相对野生型上升明显,具有更高的耐旱性。初步推断ZmSKIP在玉米中可能调控相应的耐旱基因表达从而调节植物对逆境的适应能力。     

植物抗病毒基因及其介导的抗性机理

当前已知的植物抗病毒基因大体上分为5类。第1类为源自病毒的抗病毒基因,它们源于病毒基因组;第2类为与病毒基因相关的其他基因序列,它们或独立存在、或寄生于病毒、或依赖于病毒才能复制,如核酶基因、缺陷干扰颗粒等;第3类为源自植物的抗病毒基因,它们是植物基因的一部分,如病程相关蛋白基因、潜在自杀基因、核糖体失活蛋白基因等;第4类为植物抗体基因,它们是从动物体内获得的具有抵抗植物病毒作用的中和病毒基因;第5类为干扰素基因,它们为控制激素(干扰素)合成的基因,最初在动物体内发现,其后在烟草、番茄、番椒、丁香等植物中也发现干扰素基因。抗病毒基因介导的抗性机理十分复杂,不同基因介导的抗性机理各不相同,同一基因介导的抗性机理也有不同的模型,多数基因介导的抗性机理还未搞清,所以,在抗性机理方面尚未有统一的学说来阐明。今后这一领域的研究应侧重于植物抗病毒基因资源的分类与整理、抗病毒基因介导的抗性分子基础、抗病毒转基因在植物体内表达的影响因子(如转基因重组、沉默等)、新的抗病毒基因的发掘、增强抗病毒转基因生态安全性与遗传稳定性的措施等方面。     

甘蔗叶绿体基因组研究进展（英文）

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达。大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性。甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础。文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向。     

Passive origins of stomatal control in vascular plants

Carbon and water flow between plants and the atmosphere is regulated by the opening and closing of minute stomatal pores in surfaces of leaves. By changing the aperture of stomata, plants regulate water loss and photosynthetic carbon gain in response to many environmental stimuli, but stomatal movements cannot yet be reliably predicted. We found that the complexity that characterizes stomatal control in seed plants is absent in early-diverging vascular plant lineages. Lycophyte and fern stomata are shown to lack key responses to abscisic acid and epidermal cell turgor, making their behavior highly predictable. These results indicate that a fundamental transition from passive to active metabolic control of plant water balance occurred after the divergence of ferns about 360 million years ago.     

甘蔗叶绿体基因组研究进展

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达。大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性。随着甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成,为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础。文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向。     

Genome-wide analysis of the SCPL gene family in grape(Vitis vinifera L.)

Serine carboxypeptidase-like(SCPL) proteins are a group of acyltransferase enzymes that have important roles in plant growth, development, and stress responses. Although SCPL proteins have been studied in many plants, the biological functions of SCPL genes in grape are still unknown. In this study, 59 putative SCPL proteins were identified from the grape genome. A bioinformatics analysis, including chromosomal locations, exon/intron structures, phylogeny, ciselements, and conserved motifs, was performed for the gene family. The phylogenetic analysis revealed that VvSCPL proteins could be classified into three groups, with the gene motifs in each group showing high similarity levels. The number of exons in the VvSCPL genes ranged from 1 to 19, suggesting significant variations among grape SCPL genes. The expression of the VvSCPL genes, as assessed by RNA sequencing(RNA-seq) and quantitative real-time PCR, showed that most VvSCPL genes responded to drought-and waterlogging-stress treatments, which indicated their roles in abiotic stress responses. The results provide useful information for further study of SCPL genes in grape.     

SBP-box/SPL基因在植物表皮毛发育中的作用

植物表皮毛作为表皮细胞的特有组织在分类、减少热量和水分散失、抵御昆虫和微生物侵害方面发挥作用,同时也是生长发育时相转换的一个重要指标.而且表皮毛在提高产量等农艺性状方面也发挥重要作用,如棉花纤维组织的产量和品质.SBP-box/SPL基因是植物特有的一个较小的基因家族,在生长发育多个方面扮演重要角色,涉及花期、育性、果实成熟、蓝光信号传导、器官大小等性状.其中,在调控植物"年龄"相关的时相转换中作用明显.本文对表皮毛发育调控中SPL基因功能、涉及的microRNA,及它们与其他表皮毛发育调控途径的关系进行综述,以期为植物表皮毛发育的深入研究及应用奠定基础.     

植物抗寒基因及其在品种改良中的应用

低温不仅是限制冷敏植物分布及其生长最重要的环境因素,也是影响许多热带或亚热带作物生产的重要气候条件。在低温条件下,膜脂相变引起离子渗漏使植物细胞代谢失调,同时植物体内的活性氧的积累对细胞造成氧化伤害。本文着重介绍了在低温条件下与膜稳定性和清除活性氧有关的基因,以及这些基因的表达调控和在作物品种改良中的应用。     

中国水仙中NSVP2基因可促进烟草开花

SHORT VEGETATIVE PHASE(SVP)相关基因在很多植物中参与调控开花时间、花序形态建成。中国水仙中也存在SVP类似基因,它们在水仙开花中的调控功能还知之甚少。本研究通过烟草异源表达系统,对中国水仙中的一个SVP类似基因NSVP2的功能进行了分析,结果发现在烟草中过量表达NSVP2基因可促进开花提前,并增加了花序分枝,也导致异常花的出现和花的育性降低。这些结果说明NSVP2对生殖生长发育有多方面的调控作用。