Wang, Yu et al., 2018

賴爾珉實驗室先前為阿拉伯芥幼苗開發了一種高效的農桿菌的暫時性表現系統,命名為AGROBEST (1)(Wu et al, 2014)。 該實驗室進一步探討了該系統的原理,並在最近Scientific Reports發表 (2)(Wang, Yu et al., 2018) 。 研究發現保持穩定的酸性環境可以抑制阿拉伯芥幼苗的免疫反應,使農桿菌更容易感染幼苗,因此高效率表達T-DNA中攜帶的外來基因。 作者進一步說明穩定的酸性環境可以抑制由pathogen-associated molecular patterns(PAMPs)誘導的鈣攝取,也可能就是免疫反應抑制的主因。 作者希望通過這些研究成果來提高一些較難進行基因轉殖或遺傳背景知識有限的植物的轉殖效率。

Hou et al., 2018, PNAS

圖:阿拉伯芥三染色體與多倍體中的基因表現模式。

各直方圖中的X軸代表基因在該植株中與在對照組中的表現量比值,Y軸為出現頻率。三染色體中的分佈範圍較廣,最高點座落在1.0~1.5之間,代表dosage effect的發生,且有較多的值低於0.67,表示inverse effect亦存在。而多倍體中的分佈較為集中,座落在0.5~1.0之間,顯示遺傳失衡對於多倍體中的基因表現影響較小。

 

相較於染色體全數增減(整倍體),染色體數量不均衡增減(非整倍體)對於外表型有更嚴重的影響。為了研究這些差異,我們分析多種基因體數目歧異的阿拉伯芥,測量其成熟葉片組織的基因表現,包含五種三染色體(trisomy)、 二倍體(對照組),三倍體以及四倍體。我們發現三染色體植株比多倍體植株有著更廣泛的基因表現調節,三染色體發生的染色體上,基因表現的變化範圍在與二倍體等同(dosage compensation)至3/2倍(dosage effect)之間。而其他染色體上的基因表現變化範圍則由等同到2/3倍(inverse effect)。我們同時研究了各變異株全基因體DNA甲基化的受影響的情形,其中三染色體發生在第四對染色體的植株有著最顯著的DNA甲基化變異,而其他變異株的變化則不大。由此我們推論遺傳失衡的形成機制與DNA甲基化無一般關係。以基因的功能類別分析,核醣體基因,蛋白酶體基因以及基因本體被甲基化的基因表現所受的影響較少,而轉錄因子、訊息傳遞以及胞器中的蛋白質基因表現則受到較多inverse effect的影響而降低表現。在三染色體的植株中,轉錄因子與其所調控的基因在基因表現上呈現高度不一致性,說明這種化學計量調節失衡是遺傳失衡的主要原因。經重複分析已發表的二倍體酵母菌和三染色體小鼠細胞中的基因表現,發現化學計量調節失衡效應廣泛,說明此現象本身是一般的基因調控過程。

Grillet et al., 2018, Nature Plants

鐵(Fe)是一種必需的礦物質營養元素,如果沒有足夠的量供應,會嚴重影響植物的生長,產量和營養價值。施臥虎老師的研究團隊在植物中發現了一個新的胜肽家族,將其稱之為IRON MANIMA,並表明它們是從土壤中攝取鐵(一種必需的礦物質營養素)的必要基因。藉由CRISPR-Cas9的基因剪輯技術使阿拉伯芥中所有的8個IMA基因靜默得到非常小,極度黃化表徵的植株,此植株如果沒有適時的提供足夠的鐵就沒法存活。IMAs存在於所有開花植物的基因組中,但在蕨類植物,藻類或真菌中缺失,因此推測IMA出現在陸地植物進化的早期階段。利用野生型植株和8個IMAs基因皆被靜默突變植株相互嫁接的實驗可以得知在地上部的IMA1胜肽可以正向調控根部的鐵攝取,推測IMAs可以傳導植物葉子中鐵含量的狀態之訊息到根部進而增強根部吸收鐵的效率。IRON MAN的發現為生產富含鐵的植物開闢了一條新途徑,並為人類對抗最大的營養疾病之一:缺鐵所導致的貧血開創了一個遠景。

Hsu et al., 2018, Plant and Cell Physiology

粒線體內含子剪切是在真核細胞與 a-proteobacteria內共同演化時,植物細胞所發展出的一個特有的機制。參與這些內涵子移除的許多蛋白質是由植物細胞核所表達,然後被運送到粒線體執行其功能。What’s this factor 9 (WTF9) 是植物細胞核所表達含有plant organelle RNA recognition (PORR) domain的蛋白質,而且參與粒線體基因ccmFC 以及 rpl2 的RNA剪切。在阿拉伯芥中,當WTF9 的功能受到破壞時,進而影響ccmFC 以及 rpl2 的RNA剪切,致使植物粒線體因失去cytochromes c 以及 c1 造成植物生長發育上的缺陷,例如植株矮小、發育遲緩。為了找出可能與WTF9一起參與內涵子剪切的蛋白質,趙光裕實驗室博士後學者許雅雯博士利用共同免疫沉澱分析,發現熱休克蛋白60可能為WTF9的交互作用蛋白質,並且進一步利用由pull-down assay證實。熱休克蛋白60是分子伴護蛋白,在真核以及原核細胞中能夠幫助蛋白質的正確折疊以執行其功能;然而許多的文獻指出,熱休克蛋白也參與RNA的代謝以及RNA的保護等功能。在這篇文章中,我們證實了熱休克蛋白60與WTF9一樣能夠與 ccmFC 內含子結合以參與蛋白質與RNA的交互作用。另外也發現如果在阿拉伯芥中將兩個熱休克蛋白60基因突變會造成植株矮小的表現型以及 ccmFC 以及 rpl2 的RNA剪切效率的降低。這些結果表示熱休克蛋白60會藉由與RNA進行交互作用,進而參與粒線體 ccmFC 以及 rpl2 的RNA剪切。 (Hsu et al. Plant and Cell Physiology 2018 )

https://doi.org/10.1093/pcp/pcy199

Kanno et al., 2018, Genetics Society of America – Genetics

圖:GFP表現微弱之 prp4ka 與 sac3a 突變株
T: 野生型 (WT) T line (GFP-intermediate control). White bar: 2 mm.

 

剪接訊息RNA(mRNA)是大多數真核生物基因表達的重要步驟。通過蛋白質磷酸化調節組成型剪接( constitutive splicing )和變異性剪接( alternative splicing )來產生多種mRNA同種型即使來自於同一段的RNA。儘管已知植物剪接機制是藉由蛋白質磷酸化導致,但是所涉及磷酸化的蛋白質仍然沒有完全確定。我們在此研究運用阿拉伯芥剪接GFP報導基因的方法篩選出PRP4激酶A(PRP4KA)與基因的剪裁相關。 Prp4激酶是第一個被報導調節真菌和哺乳動物基因剪接的相關激酶,但是在植物中仍未進行研究。我們在此同時篩選並鑑定了SAC3A中缺陷的突變體,SAC3A與PRP4KA在阿拉伯芥具有高度表達的mRNA輸出因子。儘管sac3a突變體看起來正常,但是prp4ka突變體顯示出具有非典型玫瑰花結,晚開花,高身長,少分枝和低種子集的多種表型。自prp4ka和sac3a突變體的RNA定序數據的分析,鑑定了兩個突變體中的可變剪接(alternative splicing)功能重疊。 prp4ka突變體磷酸化蛋白質組學分析中偵測到幾種富含絲氨酸/精氨酸的蛋白質的磷酸化之變化,然而這些蛋白質的磷酸化調節組成型 (constitutive splicing)和選擇性剪接(alternative splicing) 並且影響其他剪接相關因子。 PRP4KB(PRP4KA同源物)的測試表明這兩個基因在功能上並不相同。此結果證明了PRP4KA對於可變剪接和植物表型具有相當的重要性,並且說明PRP4KA可能通過磷酸化調節剪接子(splicesome)來影響可變剪接(alternative splicing)模式。這項工作的貢獻者包括菅野達夫,Peter Venhuizen,溫端南,林文鐽,邱蕙,Maria Kalyna,麥東倈和麥卓琍。 該論文發表在Genetics Society of America – Genetics (https://doi.org/10.1534/genetics.118.301515)。

Liu et al., 2018, The Plant Journal

真核生物中,磷脂醯膽鹼不僅為構成生物膜的主要組成份,同時對生物體有多種功能性的角色。在植物裡,存在一種特別的磷酸基甲基轉移酶,其可催化磷脂醯膽鹼的前驅物-磷酸醯膽鹼的生合成。然而在阿拉伯芥中,我們尚未清楚是否磷酸基甲基轉移酶之同功酶參與磷脂醯膽鹼的生合成。由中村友輝博士所領導的團隊證實,在阿拉伯芥中,兩種磷酸基甲基轉移酶的同功酶,PMT1及PMT3,共同參與磷酸醯膽鹼之生合成。PMT1及PMT3雙重基因剔除的植物僅含極微量的磷酸醯膽鹼,且影響磷脂醯膽鹼的生合成,同時發現此其葉子的維管素發育未完全,進而影響葉子發育。本研究顯示在阿拉伯芥中,PMT1及PMT3對於磷酸醯膽鹼、磷脂醯膽鹼的生合成,以及維管素發育的高度關聯及重要性。

Hsieh et al., 2018, Scientific Reports

圖一、十天大的水稻幼苗長在含氮(+N)或缺氮(-N)水耕液中的性狀。

 

謝明勳老師實驗室最近的研究發現,水稻根部缺氮時Glutamine的含量會快速地下降,因此,有些缺氮反應可能會透過Glutamine含量的變化來調節。另外,藉由基因體的分析,謝老師實驗室進一步發現,水稻根部缺氮時,會很快地調控與碳/氮代謝、荷爾蒙訊息傳導、代謝物運輸蛋白、以及氧化逆境有關基因的表現,這些基因可能直接或間接調控水稻在缺氮環境下的生長與發育(圖一)。參與這項研究的人員包括謝秉翰、甘佳正、吳欣瑜、楊琇淳等人。(http://www.nature.com/articles/s41598-018-30632-1)