2020年朱健康團隊連續發表2項研究成果,在植物脅迫取得新進展

文章來源

iNature

植物通過誘導轉錄因子的表達來響應冷脅迫，所述轉錄因子調節下遊基因以賦予對冷凍的耐受性。2020年1月8日，Cell Reports在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組和德州理工大學施華中課題組合作題為「STCH4/REIL2 Confers Cold Stress Tolerance in Arabidopsis by Promoting rRNA Processing and CBF Protein Translation」的研究論文，該研究闡明了核糖體是冷脅迫反應的調節節點，並且表明STCH4蛋白通過促進rRNA加工和CBF蛋白翻譯賦予植物耐寒性。

另外，2020年1月4日，New Phytologist在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組和德州理工大學施華中課題組合作題為「The plasma‐membrane polyamine transporter PUT3 is regulated by the Na+/H+ antiporter SOS1 and protein kinase SOS2」的研究論文，該研究發現質膜蛋白PUT3和SOS1均可與蛋白激酶SOS2形成複合物，以應對脅迫條件，並通過蛋白相互作用和磷酸化調節彼此的轉運活性。

在2019 年，朱健康團隊（通訊作者）發表了20篇高水平研究成果，在基因編輯，表觀遺傳及生物脅迫等領域取得重大突破，由於篇幅有限，iNature盤點其中的17篇文章（點擊閱讀）：

【1】2019年9月27日，國際頂級綜合類期刊National Science Review（IF:13.22）在線發表了由中科院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組完成的題為「Disruption of MIR396eand MIR396f improves rice yield undernitrogen-deficient conditions」的研究論文。該成果研究了關於植物中microRNA途徑調控氮肥高效利用的最新研究進展。該研究找到了一條在高產作物品種中提高氮肥利用的有效方法，為保證作物產量、降低生產成本投入、減少環境生態影響的可持續發展農業帶來了新思路；

【2】2019年9月25日，Plant Biotechnology Journal雜誌在線發表了來自中科院上海植物逆境中心Daisuke Miki組和朱健康課題組合作題為「Gene targeting in Arabidopsis via an all-in-one strategy that uses a translational enhancer to aid Cas9 expression」的研究論文。該研究報導了在原來的方法進行改良，實現了一步到位（all-in-one）的基因打靶方法；

【3】2019年7月24日，Plant Biotechnology Journal在線發表了朱健康院士聯合浙江農林大學和南昌大學的研究論文「Mutations in MIR396e and MIR396f increase grain size and modulate shoot architecture in rice」。該研究通過對MIR396基因家族的編輯，改變了水稻的株型，極大地增加了稻穀千粒重，從而大幅度增加了水稻的產量潛力；

【4】2019年7月30日，中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組在PNAS在線發表了題為"Histone Acetylation Recruits the SWR1 Complex to Regulate Active DNA Demethylation in Arabidopsis"的研究論文,該研究發現了植物主動DNA去甲基化的完整調控途徑，詳細闡述了植物主動DNA去甲基化的最新機制。該研究還揭示了擬南芥SWR1複合體通過識別常染色(組蛋白乙醯化)和異染色(DNA甲基化)標記物而被招募到染色質上的靶向機制；

【5】2019年7月5日，《Nature Plants》在線發表了美國華盛頓大學、日本名古屋大學和中科院上海植物脅迫生物學中心朱健康教授團隊合作研究的題為「Bipartite anchoring of SCREAM enforces stomatal initiation by coupling MAP kinases to SPEECHLESS」的論文。該研究利用氣孔發育這一系統，用來探究外部信號是如何被傳遞並轉化為細胞內部響應的過程，該研究結果解析了在氣孔細胞形成過程中直接將外部信號與轉錄重編程聯繫起來的機制，並闡述了植物MAPKs所採用的一種獨特的底物結合模式；

【6】2019年7月5日，Molecular Plant雜誌在線發表了來自華南農業大學朱國輝課題組與中科院上海植物逆境生物學研究中心朱健康課題組合作題為「Nucleocytoplasmic Trafficking of the Arabidopsis WD40 Repeat Protein XIW1 Regulates ABI5 Stability and Abscisic Acid Responses」的研究論文。該研究在擬南芥中鑑定了一個XPO1互作蛋白XIW1（XPO1-Interacting WD40 protein 1），XIW1的出核轉運依賴於XPO1。ABA和逆境脅迫影響XIW1的核質轉運，XIW1在細胞核的積累可增強ABI5的穩定性，從而正調節ABA信號途徑；

【7】Plant Biotechnology Journal在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康院士團隊題為「Simplified adenine base editors improve adenine base editing efficiency in rice」的研究論文，該研究發現利用用於大腸桿菌的ABE結構（ecTadA*7.10-nSpCas9 (D10A)）能顯著提高腺嘌呤鹼基編輯器在水稻中的編輯效率；

【8】2019年5月7號，朱健康研究團隊等人在PNAS上在線發表了題為Peroxisomal β-oxidation regulates histone acetylation and DNA methylation in Arabidopsis的研究論文。該研究發現過氧化物酶體中β-氧化的缺陷影響核中的組蛋白乙醯化和DNA甲基化。該研究工作為來自過氧化物酶體的逆行信號傳導提供了證據，以調節高等真核生物中的核表觀遺傳修飾。

【9】2019年3月27日，中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康課題組在Molecular Plant發表題為「Genome engineering in rice using Cas9 variants that recognize NG PAM sequences」的研究論文。該研究使用穩定的轉基因品系來評估xCas9和SpCas9-NG在水稻中進行基因編輯和鹼基編輯的效率，極大地擴展了基因組編輯工具的靶向範圍；

【10】2019年1月30日，中國科學院上海植物脅迫生物學研究中心和分子植物科學中心朱健康&段成國研究團隊在JIPB上發表了題為「EXPORTIN 1A prevents transgene silencing in Arabidopsis by modulatingnucleo‐cytoplasmic partitioning of HDA6」的研究論文。該論文揭示了一種新的表觀遺傳調節機制，通過調節染色質調節劑的XPO1A依賴性核-細胞質分配；

【11】2019年1月25日，Nature Communications雜誌在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心張蘅研究組和朱健康研究組題為「The genome of broomcorn millet」的研究論文。該研究完成了糜子基因組精細圖譜，為未來該作物的分子育種和功能基因組學研究奠定了基礎；該研究還通過比較基因組和轉錄組分析揭示糜子進化歷程和其特殊的C4光合作用模型。

【12】2019年1月17日，National Science Review雜誌發表了來自中國科學院植物逆境生物學研究中心朱健康課題組和華南農業大學劉耀光課題組合作題為「Gene Editing in Plants– Progress and Challenges」的綜述文章。該綜述就目前植物基因組編輯工具的開發和應用的目標，及潛在關注點和未來挑戰提供了獨特的觀點;

【13】2019年1月12日，PNAS期刊在線發表了中科院上海逆境生物學中心/分子植物卓越中心/植物生理生態研究所郎曌博研究組題和朱健康研究組題為「Global increase in DNA methylation during orange fruit development and ripening」的研究論文，該研究揭示了DNA甲基化在柑橘果實成熟過程中的調控作用；

【14】國際學術期刊Journal of Integrative Plant Biology在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心雷明光課題組和朱健康課題組合作完成的題為「A Group of SUVH Methyl-DNA Binding Proteins Regulate Expression of the DNA Demethylase ROS1 inArabidopsis」的研究論文，該研究發現SUVHs蛋白識別並結合ROS1啟動子的甲基化MEMS序列，調控ROS1基因表達和基因組甲基化水平；

【15】2019年4月22日，New Phytologis雜誌在線發表了來自中科院上海植物逆境生物學研究中心朱健康課題組題為「Arabinose biosynthesis is critical for salt stress tolerance in Arabidopsis「的研究論文。該工作揭示了Ara代謝在鹽脅迫耐受中的重要性，並且還提供了對植物中UDP-Ara生物合成所涉及的酶的新見解。

【16】2019年4月8日，Plant Biotechnology Journal在線發表了上海植物逆境生物學研究中心朱健康實驗室題為「Optimizing Base Editors for ImprovedEfficiency and Expanded Editing Scope in Rice」的研究論文。該工作升級了水稻之前應用的CBE和ABE鹼基編輯器，不但大幅提高了效率，而且擴大了鹼基編輯的序列選擇範圍；

【17】2019年7月9日，朱健康團隊的趙春釗及楊榮在Frontiers in Plant Science在線發表題為「A Role for PICKLE in the Regulation of Cold and Salt Stress Tolerance in Arabidopsis」的研究論文，該研究發現PKL對於擬南芥中的冷應激反應很重要。在低溫脅迫下，PKL基因的功能喪失突變會導致幼苗出現綠葉型，這是由於某些葉綠素代謝相關基因的轉錄水平發生了變化。冷凍處理後，pkl突變體還表現出增加的電解質洩漏。這些結果表明，PKL是植物適當的耐寒性和耐寒性所必需的。在高鹽下，PKL基因的突變還導致子葉綠化率降低和主根伸長降低。總而言之，該研究結果表明PKL調節植物對寒冷和鹽脅迫的反應。

低溫是一種主要的環境壓力，對植物的生長和發育產生不利影響，決定了它們的地理分布並限制了作物的產量。溫帶地區的植物已經進化出一種適應性過程，其暴露於低非凍結溫度後其組成型抗凍性增加，這個過程稱為冷馴化。

在過去的二十年中，在擬南芥中對冷脅迫反應的分子機制進行了廣泛的研究。包括CBF1，CBF2和CBF3在內的CBFs轉錄因子在植物冷馴化中起著核心作用。在植物受冷期間，CBF表達激活下遊的COLD REGULATED（COR）基因，其通過調節植物細胞內部的生理和生化特性來促進冷凍耐受（見下圖）。同時，包括ICE1，MYB15，ZAT12和CAMTA等轉錄因子在寒冷脅迫下控制CBF基因的轉錄上調。同時，激酶OST1磷酸化並穩定ICE1，這對CBF基因和下遊基因的表達非常重要。此外，OST1還使NAC，BTF3和BTF3L的β亞基磷酸化，從而增強了BTF3與CBF之間的相互作用，從而促進了CBF蛋白在冷脅迫下的穩定性。

圖1. 冷脅迫反應模型（Annu. Rev. Plant Biol. 2006. 57:781–803）

該研究為了鑑定對於耐冷脅迫至關重要的基因，篩選了擬南芥的T-DNA插入突變體庫，尋找具有低溫敏感表型的突變體。研究發現，stch4突變體顯示了對冷脅迫的超敏性，之後STCH4被鑑定為REIL2基因，該基因是冷馴化過程中60S核糖體積累的必需條件，對於寒冷條件下的植物生長至關重要。此外，研究發現STCH4過表達的植物顯示出對冷耐受性增強。

圖. stch4突變體顯示出對低溫脅迫超敏性

進一步通過轉錄組分析和Northern得到, STCH4的突變會增加早期響應冷脅迫的轉錄因子（如CBF）的誘導表達，然而下遊後期響應基因的冷誘導表達卻降低。由於STCH/REIL2與核糖體的生物發生有關，因此，該研究表明STCH4可能是早期轉錄因子（例如CBF蛋白）的蛋白質積累所必需的。事實上，該研究通過AHA標記--質譜等多種方法檢查低溫下野生型和突變體中從頭蛋白質合成情況，證實了STCH4在冷脅迫條件下調節一部分蛋白質（例如CBFs）的翻譯，表明了stch4-1突變體中早期轉錄因子的轉錄水平增加可能是這些蛋白質水平降低而導致反饋調節的結果。

圖. stch4突變降低低溫脅迫下CBF蛋白水平

最後，該研究顯示與Col-0野生型相比，stch4突變體的中間加工產物水平較低，特別是在4°C處理24小時後，stch4突變體中的rRNA加工顯示出加工過的rRNA中間體的減少更為嚴重，表明了STCH4在rRNA加工中起著重要作用，尤其是在低溫下。

圖. STCH4是rRNA正確加工所必需的

綜上所述，該研究表明核糖體是冷脅迫反應的調節節點，而STCH4作為核糖體生物發生因子，可調節冷脅迫條件下的核糖體形成，並通過調節早期冷應答轉錄因子（例如CBF蛋白）的翻譯來觸發冷脅迫耐受性（如下圖）。

圖. STCH4作用機制模型

參考消息：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31651-1