2023年3月16日，Nature 在线online新的一期文章，其中有一篇植物相关的文章来自国内课题组。另外2023年3月16日，Cell杂志在线发表了一篇植物相关的文章同样来自国内的课题组。同时，当天Nature Plants杂志在线发表了两篇文章也是来自国内课题组。因此同一天我国植物科学领域连发一篇Cell和Nature及两篇Nature Plants, 可见近期我国农学/植物科学研究表现十分亮丽! 具体如下：
1. 2023年3月16日，Nature 在线发表了来自清华大学生命科学学院/北京市结构生物学高精尖创新中心/北京生物结构前沿研究中心隋森芳院士和王宏伟教授，以及中科院生物物理研究所章新政研究员合作题为“红藻藻胆体-光系统II-光系统I-捕光复合物超大复合体的原位结构”（In situ structure of the red algal phycobilisome-PSII-PSI-LHC megacomplex）的文章，为阐明细胞内天然状态下 PBS-PSII-PSI-LHC超大复合体的组装机制，以及能量从PBS 向PSII和PSI的高效转移的机制奠定了坚实的结构基础，是光合领域里的一个里程碑成果。连发三篇Nature！清华大学公布首个藻胆体-光系统II-光系统I-捕光复合物结构，为人工模拟光合作用提供了新的理论依据
2. 2023年3月16日，北京大学钟上威实验室在Cell期刊发表了题为“Sensory circuitry controls cytosolic calcium-mediated phytochrome B phototransduction”的研究论文，报道植物通过“光-钙调控环路”，快速激活两个钙依赖性蛋白激酶，在Ser80和Ser106位点磷酸化phyB，控制phyB入核。该工作同时提出了胞质第二信号钙离子在受体层面解码为特定转导通路的新机制。（见今天第二条推送）
3. 2023年3月16，中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚实验室在Nature Plants杂志发表了题为“Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seeds”的研究论文。该研究解析了棉花中棉酚对映异构体的生物合成机制，发现了控制左旋棉酚合成的关键蛋白，首次实现了通过基因编辑特异选择对映异构体化合物，改良作物品质。轴手性化合物在自然界普遍存在，这项研究不仅为棉籽蛋白和棉籽油的安全利用开辟了新途径，对利用合成生物学选择性操纵轴手性异构体的形成也具有重要启示。
棉酚是棉花主要的植保素，由两分子半棉酚氧化偶联生成，形成两个轴手性对映异构体（图 1），棉籽对人类和非反刍动物的生殖毒性源于左旋棉酚。虽然研究人员已培育出完全不含棉酚的棉花品种，但无酚棉更容易受到病虫害侵袭。由于右旋棉酚不影响哺乳动物精子的产生，却与左旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性，因而选择性抑制左旋棉酚合成并保留右旋棉酚，可在降低棉籽生殖毒性的同时保留其抗病虫能力。
图1：棉酚对映异构体 (左侧结构式为左旋棉酚，右侧结构式为右旋棉酚)
该研究以已知棉酚合成途径酶基因为“诱饵”，发现两个与已报道酶基因共表达的引导蛋白（DIR）基因，分别命名为GhDIR5和GhDIR6。体外实验表明GhDIR6控制右旋棉酚的合成，而GhDIR5控制着左旋棉酚的生成（图 2A）。通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术敲除GhDIR5，获得的基因编辑棉籽不含左旋棉酚或仅积累极少量的左旋棉酚（图 2B），而右旋棉酚和其他结构类似的萜类化合物水平没有显著变化，因而棉花抗虫能力得以保留（图 2 C-D）。
进一步测试棉籽对小鼠精细胞等细胞系的毒性，发现基因编辑的棉籽毒性显著降低（图 2 E-F）。此外，该研究还进行了分子模拟、突变分析和进化分析，揭示了DIR蛋白在对映体选择性中起关键作用的三个氨基酸残基，并推测大约500万~ 1300万年前，负责左旋棉酚的DIR基因在棉属植物演化、扩散过程中选择而来，这与啮齿类动物大爆发的时间吻合，暗示啮齿类动物的繁盛加速了具有抗生殖毒性的左旋棉酚及其控制蛋白的出现。
图2：对GhDIR5进行基因编辑降低棉籽生殖毒性同时保留棉花抗虫能力。
4. 2023年3月17日凌晨0时，中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非团队在Nature Plants在线发表了题为 “Population genomics unravels the Holocene history of bread wheat and its relatives”的研究论文。该研究利用小麦属和粗山羊草属的25个小麦亚种共795份材料的全基因组测序数据，构建了升级版小麦属全基因组遗传变异图谱（VMap 1.1），通过大量精巧的基因组数据建模，系统重建了面包小麦及其近缘种的群体演化历史。
面包小麦（Triticum aestivum, 2n = 6x = 42, AABBDD）是世界上最重要的粮食作物之一，养活了约35%的世界人口。同时，作为人类最早驯化的谷物之一，面包小麦及近缘种推动了人类从狩猎采集社会向农耕社会的转变，拉开了人类文明发展的序幕。
该研究明确了面包小麦的单起源驯化过程，即栽培小麦的驯化全部发生在黎凡特北部，也就是土耳其东南部的Karacadag地区。研究还明确了面包小麦的形成发生在里海的西南部，形成过程中与近缘种之间发生了频繁的双向渗入基因流，并且由于AB和D亚基因组基因渗入的不平衡导致了面包小麦持续约3300年缓慢的物种形成过程（图1）。“我们的研究表明现今所有小麦的驯化都发生在黎凡特北部，解决了长期以来有关面包小麦的起源和驯化的争议问题。考古上在黎凡特南部地区发现的栽培小麦极可能经历了早期驯化但是之后灭绝的一个亚群”，鲁非研究员指出。
图1. 面包小麦物种形成时间及地点
面包小麦成种之后迅速传播到整个欧亚大陆，在距今大约7,000年前到达欧洲，6,000年前传播到南亚，5,000年前传播到东亚。由于帕米尔高原的阻挡，面包小麦通过三条路线进入中国（图2），分别是南喜马拉雅路线，河西走廊路线以及草原路线。值得一提的是，尽管没有蒙古草原的小麦样品采集，但是该研究通过最佳群体混合拟合模型推测出小麦通过蒙古草原传入中国的路线，支持了最近考古学研究中提出的草原路线假说。“这条传播路线可能与4,000至5,000年前阿尔泰山附近的阿凡纳谢沃人遭遇全球气温骤降后向南迁移有关”，论文作者赵学博评论道。
图2. 面包小麦横跨欧亚大陆的传播过程
面包小麦在形成之后很快辐射到各种复杂的气候地理环境，并适应了巨大的环境变化。在小麦分别向欧洲，东亚和南亚传播的过程中，作为作物环境适应关键性状的开花时间主效调控基因Ppd-D1上独立发生了三个功能缺失变异，呈现出极具代表性的趋同进化模式。论文作者郭雅菲补充说，“作物中大多数已知的趋同进化基因都与驯化相关，Ppd-D1基因是作物中首个被发现的环境适应过程中产生基因水平趋同进化的案例”。
图3. 面包小麦通过Ppd-D1基因的三个独立突变产生了早花表型的趋同进化
相对于栽培品种，作物近缘种及地方品种的群体动态演化研究较少。通过对小麦各个亚种群体的溯祖分析，研究发现在全新世演化过程中野生近缘种普遍出现有效群体规模减小。这种群体涨落的过程在不同亚种间出现了逐渐替代、时间线互补的关系，反映出人类对麦类作物饮食选择的不断变化。作为面包小麦重要遗传资源的二粒小麦和一粒小麦，其有效群体在过去2,000年下降了82%，并且由于气候变化，面包小麦近缘种在未来将会出现分布区缩小或者逐渐远离赤道带的现象。野生二粒小麦是面包小麦遗传多样性的最重要来源，分布区缩小可能使其在几十年内成为濒危植物。
图4. 面包小麦及近缘种从过去到未来的种群规模波动
综上所述，研究完整重现了面包小麦及其近缘种在整个全新世的群体演化历史，彻底解决了有关面包小麦演化的种种争议和谜题，系统刻画了面包小麦与近缘种之间遗传和生态互作关系。这可能将成为探索所有作物的适应性进化机制的研究范式，为通过遗传育种帮助作物应对气候变化挑战提供新的思路。
转自：“iPlants”微信公众号
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