生物技术前沿一周纵览（2017年5月5日）

小麦雄性不育基因克隆成功

普通小麦属于自花授粉作物，由于遗传基础狭窄，致使高产杂交育种研究的难度非常大。小麦图位克隆成败的关键取决于能否建立目标基因所在区域的物理图谱。研究团队投资构建了“矮败鲁麦15”的基因组人工染色体文库，该文库包括大约70.6万个单克隆，覆盖普通小麦基因组5倍左右。他们利用Ms2区域的特异标记，筛选并获得了8个阳性克隆，成功建立了Ms2区域的物理图谱，分离到太谷核不育Ms2基因,并通过反向遗传学验证了该基因的功能。（Nature）

大麦基因组破解

大麦是全球第四大禾谷类作物，且集饲用、啤用和粮食作物于一体，在我国也曾是栽培面积达一亿亩以上的重要农作物之一。高质量的大麦基因组参考序列是大麦遗传与育种研究取得突破性成果的重要支撑。大麦基因组全长5.1 Gb，约为水稻基因组的11倍，含有3.9万多个蛋白编码基因，且多数为多拷贝，形成了复杂的基因家族，并富含转座因子，因此全基因组测序工作难度巨大。国际大麦测序联盟耗费了近10年时间，综合运用包括染色体构象作图和生物纳米作图等多种最先进的测序和组装技术，利用约2.5Tb大麦基因组测序数据，组装完成了一个包含4.79 Gb的大麦高质量参考基因组序列，每条染色体均被排成一个线性分子, 其中94.8%的组装序列明确定位在大麦各条染色体上?？蒲Ъ沂状味源舐笤诔ご镆煌蚰曛玫难被胙≡窆讨谢蜃榉⑸糯质?/span>(genetic erosion)的全面剖析，为有效拓宽栽培大麦日趋狭窄的基因库提供了应对策略。以此为基础，研究人员对大麦麦芽品质相关基因进行了深入分析，明确了大麦麦芽品质相关基因的结构变异，为高品质大麦育种指明了方向，该工作对大麦种质资源利用及相关基因的克隆和鉴定工作都具有重要意义。（Nature）

科学家创建了一种简单高效的棉花内源基因编辑筛选方法

CRISPR/Cas9来自微生物的免疫系统，其利用一种Cas9酶，把一段作为引导工具的小RNA识别靶标DNA位点，就能在此处对DNA进行切断或做其他改变。以往研究表明，CRISPR/Cas9系统可以在多种植物中对靶标基因进行高效编辑。作为异源四倍体棉花的陆地棉基因组大而复杂，获得目标基因突变体的难度非常大，耐盐性的研究是世界性难题，而CRISPR/Cas9系统为获得棉花耐盐突变体提供了非常好的思路。科研人员研究发现，对选取的棉花两个与耐盐相关的内源基因GhCLA1和GhVP， CRISPR/Cas9在棉花的原生质体中表达后，两个基因靶标位点的突变大部分是碱基的替换，而在转基因棉花植株中，该系统造成的靶标位点突变大部分是碱基的缺失。研究还发现，CRISPR/Cas9系统在棉花细胞中具有目标特异性，即只瞄准那些为它们设定的目标基因?；诿藁ɑ蜃榇蠖丛拥奶氐?，该研究表明利用CRISPR/Cas9系统成功创建了一种对棉花内源基因编辑和筛选突变体的有效方法，而且高效率和特异性和特点。（Scientific Reports）

科学家育成新型高抗低残留抗草甘膦棉花

杂草不仅和农作物存在水、肥、光和空间等竞争，而且易滋生病虫害，严重影响作物生长发育，造成产量降低、品质下降，因此杂草防治成为农业生产中的重要环节?？蒲型哦咏硬莞熟⒀现匚廴就寥牢⑸镏锌寺〉降牧礁龉丶目共莞熟⒒?/span>GR79 EPSPS和GAT进行植物偏爱性密码子改造，构建仅含GR79 EPSPS或GAT单基因和同时含有双基因的植物表达载体。结果发现，转基因烟草同时表达GR79 EPSPS和GAT基因对草甘膦的抗性显著高于GR79 EPSPS或GAT单基因烟草。进一步利用农杆菌介导法将GR79 EPSPS-GAT双基因载体转化棉花，利用多种分子检测手段，获得含有一个和两个EPSPS-GAT表达盒插入的转基因棉花GGCO2和GGCO5，且GR79 EPSPS和GAT基因在转录和翻译水平均高表达。浓度耐受性测定表明，GGCO转基因棉花在田间可耐受5倍于生产用草甘膦除草剂的浓度，而且生长发育和农艺性状不受影响。更重要的是，由于GAT可以快速乙?；莞熟⒋渭栋坊?，生成对植物和动物无毒的乙酰草甘膦，因此喷施草甘膦5天后，与GR79 EPSPS单基因抗草甘膦棉花相比，GGCO双基因棉花草甘膦残留量降低了81%-89%。 田间测算结果表明，与传统的利用栽培措施除草相比，种植GGCO转基因棉花每亩可节约成本150-200元，显著降低了棉花的生产成本。目前，GGCO2和多个抗虫棉配组获得40多个抗虫和抗草甘膦双抗新品系，为我国抗除草剂棉花新品种的培育提供了丰富的种质资源。（Plant Biotechnology Journal）

樟科植物DNA条形码研究取得进展

樟科植物作为常见的重要经济林木，在林业、轻工、医药等领域都占有重要的地位，大多数种类集中分布于长江以南各省区。为研究人员将DNA条形码技术与樟科形态学特征相结合，分别从条形码的鉴定能力、物种纠错能力和系统演化等三个方面进行了分析与探讨。研究发现，国际条形码组织推荐的核心条形码matK和rbcL与补充条形码trnH-psbA、ITS和ITS2，除对基部的部分类群有好的鉴定表现外，整体上对樟科植物的物种鉴定能力较弱；但是条形码ITS，如果不考虑序列的扩增与测序困难问题，其鉴定能力最佳，推荐作为樟科植物的有力条形码；条形码技术与形态鉴定相结合，对樟科物种鉴定纠错率高达10.8%；条形码数据可以一定程度地重建樟科植物的系统演化。此项研究对林业、轻工、医药领域利用樟科植物资源具有较高的参考价值，对樟科植物的分类与系统发育研究以及种质资源?；ひ灿兄匾囊庖?，同时该研究也为正在开展的东南亚等地区樟科植物调查提供了数据参考。（PLoS ONE）

SnRK2蛋白激酶调控miRNA合成的新机制被揭示

microRNA（miRNA）是一种广泛存在于动植物体内的长度为20-24个核苷酸的非编码的小RNA。通过调控mRNA的剪切和翻译，miRNA参与了植物生长发育、胁迫应答等许多生物学过程。III型核糖核酸酶DCL1、锌指蛋白SE以及双链RNA结合蛋白HYL1是miRNA合成复合体的核心组分。已知植物激素脱落酸和渗透胁迫应答途径能够影响miRNA的积累，但详细的分子机制并不清楚。研究人员发现植物激素脱落酸和渗透胁迫应答途径的核心组分SnRK2蛋白激酶能调控miRNA合成途径中的核心组分，并调控miRNA的合成。在模式植物拟南芥中，SnRK2蛋白激酶家族共有10个成员（SnRK2.1-SnRK2.10）。其中，snrk2.2/2.3/2.6三突变体对ABA不敏感，而缺失所有SnRK2成员的snrk2十突变体缺乏适应渗透胁迫的能力，对渗透胁迫敏感。研究组发现snrk2.2/2.3/2.6突变体中，miR160等miRNA的含量降低，对应的miRNA的前体（pri-miRNA）以及靶基因表达增加。在snrk2三突变体和十突变体中HYL1蛋白含量降低。进一步的研究表明HYL1和SE蛋白可能是SnRK2蛋白激酶的磷酸化底物 。该研究发现了SnRK2蛋白激酶在miRNA合成过程中的重要作用，并初步揭示了ABA和渗透胁迫调控miRNA合成的分子机制。（PLoS Genetics）

首次成功破译茶树基因组

茶树高质量基因组图谱的成功绘制揭示了决定茶叶适制性、风味和品质以及茶树全球生态适应性的遗传基础，必将大大加速茶树功能基因组学研究和优异新基因发掘，加快旨在提高茶叶品质和适应性的茶树新品种培育。研究表明，茶树基因组中最大的长末端重复序列反转录转座子家族约占茶树基因组的36.79%，这是单个长末端重复序列反转录转座子家族在植物基因组里扩张和生存长达5,000万年的首次报道。研究还发现，茶树近期曾经发生过一次全基因组重复事件；茶树基因组里与茶叶的香气、风味与品质密切相关的诸如黄酮、萜类等生物合成相关的基因家族显著地扩增；除了参与黄酮和萜类生物合成的基因家族的大量扩增可以促进茶树环境适应性以外，发现强烈的自然选择促进了茶树抵抗生物和非生物逆境的抗病基因家族的大量增长，诠释了为什么茶树可以在全球扩散并广泛地种植在亚洲、非洲、欧洲、北美、南美和大洋洲的不同气候条件下的多样化生境中而成为世界性的饮料植物。研究进一步比较转录组学发现，茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因的不同表达模式决定了山茶属植物作为茶饮的适制性、茶叶的品质和滋味；茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因表达的巨大差别导致了茶组不同物种中茶多酚和咖啡的不同富集进而形成了多种多样的茶叶的风味。研究表明，茶树的野生近缘物种厚轴茶含有非常高的茶多酚但是极低的咖啡因，具有培育茶树新品种的巨大潜力，茶组中的栽培茶树的野生近缘物种因蕴藏着丰富的优异新基因，是未来茶叶品质改良的巨大宝库。（Molecular Plant）