在柑橘自交不親和分子機制研究領域取得重要進展
近日，Nature Plants在線發表了華中農大園藝植物生物學教育部重點實驗室鄧秀新院士領銜的柑橘團隊題為「Evolution of self-compatibility by a mutant Sm-RNase in citrus」的研究論文，相關研究在柑橘自交不親和分子機制與進化領域取得的重要研究進展。
自交不親和性（Self-incompatibility，SI）是顯花植物在長期自然進化過程中形成的一種廣泛存在的生殖隔離機制，旨在防止近親繁殖和物種退化，保持物種遺傳多樣性。植物自交不親和機理研究雖然在十字花科、茄科、薔薇科、玄參科及罌粟科等物種上取得了突破，但是關於芸香科柑橘屬植物自交不親和分子機制至今不明。柑橘是世界第一大水果，在國民經濟中具有舉足輕重的地位，其包含的柚類均具有自交不親和性狀，而寬皮柑橘以及其雜交種則普遍具有的自交親和（Self-compatibility，SC）特性。
在實際生產中，以沙田柚為例，由於其具有典型的自交不親和特性，自交座果率僅0.3%，使得生產實踐中必須通過配置酸柚授粉樹或進行人工授粉以提高座果率，不僅費時費力，而且果實種子多，在勞動力短缺及消費者對果實品質要求不斷提高的今天，這成為制約產業可持續發展的一個重要問題。因此，發掘控制柑橘自交不親和性狀關鍵基因，解析其作用機制，明確親和突變機理，可為生產或育種上選配合適授粉親本以及通過遺傳改良培育自交親和新種質提供重要的理論依據。
課題組從2006年開始啟動柑橘自交不親和機制研究，歷時13年，綜合利用遺傳群體結合細胞學及生物化學等方法證實芸香科柑橘類自交不親和屬於典型的配子體自交不親和類型，自交授粉後花粉管會在花柱中上部被抑制生長，並首次發掘鑑定出控制柑橘自交不親和性狀關鍵雌蕊決定因子S-RNase蛋白，編碼該蛋白基因具有以下三個典型特徵，即花柱特異性表達、單一位點復等位基因特徵和能夠特異性抑制自體花粉管生長。
本研究在柚類中鑑定到9個高度多態性的S-RNase等位基因（S1-RNase～S9-RNase），利用收集到的394份柚類自然群體，通過檢測共獲得77%資源的S基因型，相關S基因型信息可為柚生產或開展常規雜交育種選配合適授粉親本提供重要的理論指導。研究發現，檢測自交親和寬皮柑橘材料，發現S-RNase基因ORF第442位有一個腺嘌呤(A)缺失，從而導致移碼突變和提前終止，形成無功能的Sm-RNase蛋白，通過擴大樣本檢測量，明確凡是含有突變的Sm-RNase都具有自交親和性狀，由此開發出基於Sm-RNase的分子標記，為早期開展分子標記輔助選擇柑橘自交親和性狀資源提供方法。進一步利用原始、野生及栽培柑橘資源，構建出柑橘由自交不親和性向自交親和性轉變的進化模式圖，推測突變的Sm-RNase基因早期發生在寬皮柑橘中，伴隨著柑橘種間相互雜交，進而滲入到其他柑橘品種中，並利用寬皮柑橘獨特的無融合生殖特性逐漸將Sm-RNase基因在這些柑橘雜交種中固定，最終形成現有栽培橘多數表現為自交親和特性的局面。
植物進化上關於S-RNase類配子體自交不親和系統在薔薇分支和菊分支中到底是二次起源還是單一起源一直爭論不休，未有定論。因為S-RNase類的配子體自交不親和系統自從在親緣關係相對較近的如：茄科、薔薇科及玄參科中被鑑定後，再未有其他新物種報導具有類似系統。本研究證實了芸香科柑橘也同屬於S-RNase類自交不親和系統，並且由於芸香科與薔薇科、茄科以及玄參科親緣關係遠，且早在1億年前就已經分化，為S-RNase類配子體自交不親和系統屬於單一進化起源結論提供重要佐證。
園藝林學學院已畢業博士研究生梁梅為論文第一作者，柴利軍副教授為論文通訊作者。中國科學院昆明植物研究所朱安丹研究員、華南農業大學夏瑞教授、廣西特色作物研究院鄧崇嶺研究員與陳傳武副研究員、雲南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所王紹華、英國阿伯裡斯特維斯大學Maurice Bosch博士及英國伯明罕大學Vernonica E. Franklin-Tong教授等也參與相關研究工作。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研專項資金和國家柑橘現代農業產業技術體系研究經費支持。
據悉，本文在發表的同時，Nature Pants雜誌特邀東京大學Sota Fujii 和 Seiji Takayama學者對相關內容配發評論性文章。
在CO2光化學還原領域研究取得新進展
近日，華中農大理學院陳浩教授領銜的「先進材料與綠色催化」團隊與日本國立材料研究所葉金花教授合作，在Nature Communications在線發表了題為Intermolecular cascaded π-conjugation channels for electron delivery powering CO2 photoreduction的研究論文，該研究首次報導了聚合物分子內-分子間「雙重共軛」效應的調協機制，創造性的構建了載流子傳遞的「高速路」，提出了促進載流子傳遞助力CO2光還原的新策略，為通過利用太陽能控制全球碳平衡提供了有效路徑。
當前，全球的燃燒化石燃料產生的CO2的年排放量高達368億噸，而現有的CO2轉化技術通常需消耗大量電力資源，且伴隨有額外的溫室氣體排放。開發基於太陽能光催化技術實現清潔、廉價的CO2資源化利用，對應對全球氣候變化及獲取廉價和清潔能源具有重大戰略意義，也是當前能源環境研究領域的前沿。然而，受制於光生載流子的傳遞效率，現有的光催化CO2還原反應效率低下，尚不能令人滿意。如何實現高效的光生載流子定向轉移不僅是當前光催化領域研究的難點，也是提升光催化CO2還原反應效率的關鍵。
基於此，理學院陳浩教授領銜的「先進材料與綠色催化」團隊與國內外多家科研機構展開科研合作，以選取共軛聚合物為催化劑，通過結構設計調控，獲得了具有強共軛體系的聚合物及消除不飽和炔基後的弱共軛體系聚合物。研究發現，消除作為分子內電子傳輸「橋梁」的炔基後，光生載流子更容易在局部累積，進而與CO2還原助催化劑的電子云發生交錯，優化分子間π-π堆砌作用。上述針對共軛聚合物的分子內-分子間共軛作用的調協效應，可構築基於π-π堆疊作用的分子間載流子傳輸「通道」，並在光催化過程中，將共軛聚合物受光激發產生的電子由分子內無序傳遞調整為分子間定向轉移，從而使定向轉移的電子通過助催化劑的金屬中心持續向CO2分子注入電子，進而實現CO2還原。
該研究首次通過理論計算和瞬態光譜技術揭示了共軛聚合物「雙重共軛」的可控協調性，揭示了通過非共價健相互作用途徑增強電荷轉移的證據和機理。改性聚合物通過去除電子傳輸「橋梁」炔基，成功阻止了電子離域，並利用分子間建立的傳輸「通道」將局域化電子定向轉移至活性位點，因而表現出很高的CO2還原效率（CO產生速率高達2247 μmol·g-1 h-1），比未經修飾的聚合物活性提高了138倍。通過調控 「雙重共軛」效應建立的CO2光還原體系，為解決光催化反應中載流子定向傳遞這一關鍵問題提供了新思路，對後續建立高效的光催化CO2光還原體系具有重要科學價值。
理學院汪聖堯副教授、丁星副教授、日本國立材料研究所海曉博士、華中科技大學金尚彬副教授為論文共同第一作者，陳浩教授和日本國立材料研究所葉金花教授為論文共同通訊作者。
該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、日本文部省科研經費、湖北省自然科學基金及校自主創新基金的資助。
揭示葉綠體DNA重組修復的分子機制
3月17日，Nature Communications在線發表了華中農大作物遺傳改良國家重點實驗室、生命科學技術學院結構生物學研究團隊解析葉綠體DNA重組修復的最新研究成果。成果論文以「Structural insights into sequence-dependent Holliday junction resolution by the chloroplast resolvase MOC1」為題，解析了植物葉綠體Holliday junction解離酶序列特異性識別和切割DNA的分子機制。
Holliday junction（HJ）是由英國生物學家Robin Holliday提出的DNA分子間的十字交叉結構，是同源重組過程中一類重要的DNA中間體，其對於DNA損傷修復以及保持物種遺傳多樣性等具有重要意義。而這種特殊的DNA結構必須在解離酶的作用下及時解離成雙鏈線性的DNA才能保持基因組DNA的穩定性。HJ解離酶在噬菌體、細菌、真菌、植物和動物中是廣泛存在的，雖然這類酶的序列同源性不高，但它們發揮作用的機理有一定的相似性。然而，HJ解離酶對DNA序列依賴的結構解離的分子機制卻一直未知。
在本研究中，研究者解析了植物葉綠體HJ解離酶MOC1單體以及結合HJ的複合體的晶體結構。MOC1以二聚體形式發揮功能。其中，HJ鑲嵌在二聚體MOC1的兩個凹槽中。通過結構分析，鑑定了其中四個酸性胺基酸組成了催化四連體，負責切割DNA鹼基間的磷酸二酯鍵。其中最重要的發現是，本研究鑑定了一個重要的DNA鹼基識別環(base recognition loop, BR loop)，其中有兩個關鍵的胺基酸參與了junction位置C-G鹼基對的打開，以及特定的DNA鹼基識別，從而決定了序列識別以及切割的特異性。綜合晶體結構解析和系統的生化實驗驗證，本研究從分子水平上對於HJ解離酶序列特異性切割HJ的科學問題進行了解答。
通過結構序列比對分析，研究者發現這類BR loop在其他物種的HJ解離酶，如細菌RuvC和酵母Ydc2中是保守存在的。因此，本研究鑑定的BR loop對其它類型特異性識別和切割DNA的HJ解離酶，具有普通的參考意義。
葉綠體MOC1-HJ複合物的晶體結構以及催化機制分析博士閆俊傑、研究生洪思行為本論文共同第一作者，殷平教授為論文通訊作者。校級蛋白質平臺為該研究的開展提供了有力支持。上海同步輻射光源（SSRF）為數據收集提供了幫助。該研究受到了科技部基金、國家自然科學基金-優青基金和青年基金、華中農業大學科技自主創新基金、中國博士後基金的共同資助。
據悉，本研究工作是該研究團隊在葉綠體基因表達調控領域系列研究工作的新突破。團隊揭示了葉綠體轉錄後調控蛋白PPR家族特異性識別RNA鹼基的分子機制及潛在應用（Shen et al., 2015, Molecular Plant; Shen et al., 2016, Nature Communications; Yan et al., 2019, Nucleic Acids Research）；揭示了葉綠體RNA編輯因子MORF蛋白調控靶標RNA識別的分子機制（Yan et al., 2017, Nature Plants；Yan et al., 2018，Science China Life Sciences）
解析玉米重要產量基因
近日，華中農大玉米研究團隊張祖新教授課題組在Nature子刊《Nature Communications》在線發表題為「A serine/threonine protein kinase encoding gene KERNEL NUMBER PER ROW6 regulates maize grain yield」的文章，證實了一個編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的基因KNR6 (KERNEL NUMBER PER ROW6)，該基因通過影響雌穗小花數目、穗長和行粒數進而控制玉米產量。在不同遺傳背景的雜交種中導入有利等位基因可增加4.3–19.1%的穗粒數，增強表達KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產量。研究還發現，KNR6與Arf-GTPase激活蛋白(AGAP) 互作並磷酸化AGAP，通過調節花序發育而影響穗長和行粒數。該研究結果有助於解析玉米穗粒數形成的分子機制，為提高玉米雜交種產量提供了理論依據和基因資源。
玉米（Zea mays L.）是當今世界重要的糧食、飼料、工業原料和能源作物，在保障世界糧食安全、經濟發展及緩解能源危機等方面作用巨大。玉米籽粒是經濟發展的重大需求，也是遺傳育種學科的重大研究課題。近一個世紀來，通過育種家的不懈努力，玉米單位面積籽粒產量提高了6~8倍，但是，我們至今對玉米遺傳改良過程中所選擇基因或位點知之甚少。
張祖新教授課題組基於圖位克隆策略，首次克隆了一個控制玉米穗長、每行籽粒數和籽粒產量的QTL。研究發現，候選基因KNR6編碼一個絲氨酸蘇氨酸類受體蛋白激酶，並且該基因5'-UTR區域的一個Harbinger-like轉座子插入缺失變異和基因5.1kb上遊區域的一個長末端重複逆轉座子（LTR）的插入缺失變異可引起KNR6的調控區域的甲基化水平的改變，進而導致KNR6表達水平的改變。而KNR6的表達水平與玉米自交系果穗長度和每行籽粒數正相關。藉助分子標記輔助選擇，將KNR6增效等位基因型置換四個自交系的減效等位基因型，導致穗長和行粒數增加，且改良版的鄭單958籽粒產量比其改良前提高5.6%。在不同遺傳背景的雜交種中導入增效等位基因可增加4.3–19.1%的穗粒數，過表達KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產量。
研究還發現，KNR6具有自磷酸化和磷酸化的活性，可通過磷酸化其互作蛋白AGAP進而調控花序分化，這是一個重要的理論發現。結合KNR6蛋白的磷酸化功能，從蛋白質磷酸化組學解析KNR6可能參與的調控網絡，並從分子生物學等層面探明KNR6在玉米花序發育控制中的生物學機制，可為闡明玉米穗粒數形成的遺傳機制及調控網絡奠定基礎。
華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室博士研究生賈海濤、李曼菲和中國農業大學李威亞博士為論文共同第一作者，張祖新教授為通訊作者。中國農業大學楊小紅教授、美國美國冷泉港實驗室Dave Jackson教授也合作參與了本論文撰寫工作。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。
揭示油料作物Jojoba種子中蠟酯合成機制
3月11日，Science Advances在線發表了題為「The genome of jojoba (Simmondsia chinensis): a taxonomically-isolated genome that directs wax-ester accumulation in its seeds」的研究論文，該研究由華中農大油菜團隊、生物信息團隊聯合國外5家單位合作完成。研究公布了油料作物Jojoba的高質量參考基因組，解析了Jojoba種子中蠟酯的合成途徑，為挖掘和利用蠟酯合成的關鍵基因打下了基礎。
Jojoba是雌雄異株植物，原產於北美沙漠地區，其種子油的主要成分是液體蠟酯，由碳鏈長度為C20-C24的脂肪醇和脂肪酸的酯化物組成。Jojoba是目前已知的唯一可以合成液體蠟酯的油料植物，也是唯一能替代鯨油的植物油。Jojoba油與人體皮脂具有高度的相容性，能促進皮膚保留水分，因此它受到化妝品行業的高度青睞。此外，Jojoba油在高溫、高壓下穩定度高，被廣泛應用於機械潤滑、消泡、防磨損、防鏽及抗氧化等方面。由於Jojoba種子含油量高、液體蠟酯的經濟價值高、植物自身具有耐高溫及抗旱的特性，目前已被美國、以色列、秘魯、阿根廷、澳大利亞和印度等國商業化種植。
過去十餘年，科學家通過轉基因手段在油菜、亞麻芥等油料作物種子中合成Jojoba蠟酯，但這些油料作物種子中積累的蠟酯含量較低，且轉基因植物種子的萌發率低；Jojoba的種子中蠟脂佔總含油量的95%以上，種子仍可正常萌發，這暗示著Jojoba種子中蠟酯的合成、儲存及降解存在特殊的機制。但參考基因組的缺乏限制了Jojoba種子中蠟酯合成相關機制的解析。
該研究採用PacBio、Illumina和Hi-C測序相結合的方法組裝和注釋了Jojoba高質量參考基因組。分析比較基因組可知Jojoba經歷了雙子葉植物共有的基因組三倍化過程。基質輔助雷射解吸電離-質譜成像儀（MALDI-MSI）對Jojoba種子的脂質分布進行了分析，結果表明蠟酯主要富集在種子的子葉中，而少量的三醯甘油主要富集在種子的胚軸。參與蠟酯合成相關基因脂肪醯基-CoA延長酶1基因（ScFAE1）、脂肪酸還原酶基因（ScFAR）和蠟酯合成酶基因（ScWS）在子葉中表達量遠高於胚軸中的表達量，同時二醯甘油醯基轉移酶（DGAT）在子葉中的表達量遠低於其在胚軸中的表達量。編碼脂肪酸合成和油脂儲存相關蛋白的基因均偏向於在子葉中高表達。這些基因在空間上的表達差異可能是造成蠟酯及三醯甘油在Jojoba種子中存在明顯分布差異的主要原因。Jojoba參考基因組的發布為Jojoba遺傳改良提供了重要資源，其蠟酯合成機制的解析也為通過生物學的方法在其他油料種子中生產蠟酯打下了重要基礎。
Drew Sturtevant（德克薩斯大學）、魯少平、周智偉和沈胤為共同第一作者，陳玲玲教授、Kent Chapman教授（德克薩斯大學）和郭亮教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、中央高校基本科研專項資金及美國能源部物理生物科學計劃的支持。
由於篇幅所限，今天所分享的僅為近期華中農業大學科學研究成果的一部分。更多科研動態，歡迎點擊文末「閱讀原文」，瀏覽華中農業大學南湖新聞網科學研究專題進一步了解。
供稿 | 梁梅 洪思行 汪聖堯 組新 魯少平
原標題：《華中農大近期科學研究進展》