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华中农大近期科学研究进展

  原标题:华中农大近期科学研究进展 来源:华中农业大学   在油菜油脂合成研究上取得进展   近日,油菜团队在The Plant Journal在线发表了题为“Developme…

  原标题:华中农大近期科学研究进展

来源:华中农业大学

  在油菜油脂合成研究上取得进展

  近日,油菜团队在The Plant Journal在线发表了题为“Development and screening of EMS mutants with altered seed oil content or fatty acid composition in Brassica napus”的研究成果。该研究通过EMS创建一个大规模的油菜突变体库,筛选并鉴定了一批油菜含油量和脂肪酸组成突变体,为油菜功能基因组学研究和遗传改良提供了宝贵的遗传资源。

  油菜是我国重要的油料作物,是继大豆和棕榈后的世界第三大植物油来源。提高种子含油量是油菜育种的重要目标之一,我国的甘蓝型冬油菜主要品种种子含油量在40%左右,比国外的优良品种低3-5个百分点。种子中油脂合成和积累是一个复杂的代谢调控网络,涉及多条代谢途径和数百个基因。但是,油菜的油脂生物合成机制仍然不清楚,这大大阻碍了油菜含油量的遗传改良。

  为研究油菜油脂生物合成机制,创建可用于油菜育种的种质资源,该研究以中双11为亲本,创建了一个约为10个M2单株的EMS突变体库。全基因组水平变异分析显示在M2,M3和M4突变体中由EMS诱导产生的SNP和InDel变异平均分别为24,576、33,507和29,266个。另外还预测了突变体中变异对基因功能的影响。从98,113份M2株系的种子筛选出1,886份含油量与脂肪酸突变体,加代后进一步鉴定了686份稳定的突变体。对M4世代的7份代表性的油酸升高突变体进行基因组测序分析,鉴定到了调控油酸水平的FAD2和ROD1基因存在的变异,为油菜高油酸育种创造了有利用价值的基因资源。

  该研究通过构建大型油菜EMS突变体库筛选出686份种子含油量和脂肪酸突变体,为油菜功能基因组学研究和油菜含油量和脂肪酸的遗传改良提供了重要的资源。

  华中农业大学植物科学技术学院博士研究生唐珊为论文第一作者,郭亮教授和杨庆勇副教授为论文通讯作者,博士研究生刘东旭、鲁少平副研究员参加了该研究工作。

  构建基于猪CRISPR文库技术的高通量功能基因筛选平台

  近日,动物遗传育种团队在Nature Communications杂志上在线发表了题为“CRISPR screening of porcine sgRNA library identifies host factors associated with Japanese encephalitis virus replication”的研究成果。该研究构建了基于猪全基因组CRISPR/Cas9敲除文库技术的高通量功能基因筛选平台,并运用该技术鉴定和筛选出参与乙型脑炎病毒复制的必需宿主基因。这一研究对猪抗病育种及具有育种价值的关键功能基因发掘具有重要参考价值。

  随着家猪基因组测序技术的日趋完善,以及全基因组选择在猪育种中的逐步应用,家猪基因组学的研究快速进入功能基因组时代。借助CRISPR/Cas9基因编辑技术,国内外已经构建出多种基因编辑猪模型。然而,具有重大育种价值的可编辑基因和靶点的缺乏,制约了猪基因编辑育种研究工作进程,基因编辑技术的发展为从全基因组水平筛选重要功能基因提供了契机。基于此,该研究团队利用自主开发的sgRNA文库设计软件,以家猪为对象,针对猪的几乎全部蛋白编码基因、长链非编码RNA和微小RNA,设计和构建了一个高质量sgRNA表达载体文库与突变细胞文库(PigGeCKO, v1.0,图1)。随后,该研究团队利用猪的全基因组CRISPR敲除文库技术,成功实现了高通量筛选和鉴定参与乙型脑炎病毒复制的关键宿主因子。

▲ 猪全基因组CRISPR敲除文库(PigGeCKO)设计和构建▲ 猪全基因组CRISPR敲除文库(PigGeCKO)设计和构建

  基于全基因组CRISPR文库设计构建关键功能基因高通量筛选平台,对于功能基因组研究和品种改良具有重要产业价值,更将大力推动家猪功能基因鉴定进入精准、高通量研究的新阶段,为基因功能鉴定和育种提供新思路和新策略。近年来,该团队在sgRNA设计软件开发(biootools.com)、高效准确评估sgRNA活性与脱靶效应、基于CRISPR筛选文库的功能基因挖掘及基因编辑猪育种新材料创制等方面取得系统性研究成果,为猪功能基因组与育种研究增添了新利器。

  华中农业大学动科动医学院博士研究生赵长志、硕士研究生刘海龙和肖天贺为文章共同第一作者,赵书红教授、谢胜松副教授为文章共同通讯作者。

  发表植物三维基因组研究综述文章

  近日,作物遗传改良国家重点实验室李兴旺教授和李国亮教授课题组在植物学期刊Molecular Plant在线发表了题为“Unraveling the 3D Genome Architecture in Plants: Present and Future”的综述文章。

  该文概述了植物基因组的三维组织结构特征,植物基因组在应对环境变化时三维结构的改变,以及不同二倍体和四倍体杂种中等位基因三维结构的差异,介绍了染色质相关RNA参与的DNA-RNA交互作为基因组三维结构的新的研究层面在植物基因组三维结构中的重要作用,探讨了“液-液相分离”在基因组三维结构的形成中的潜在功能意义,总结了目前还未在植物中应用的最新的“不依赖于接近连接(proximity ligation-free)”的DNA-DNA交互捕获技术以及DNA-RNA交互捕获技术,最后对植物三维基因组学的研究方向做了展望。

  真核生物每条染色体在细胞核中通常各自占据特定的空间,称为染色体疆域(chromosome territory, CT)。根据染色质的活性和组蛋白的修饰特征等,每条染色体可以分成活跃的染色质区室(A compartment)和抑制性染色质区室(B compartment)。更高分辨率的三维基因组图谱显示,这些A/B区室可以进一步分为亚区室(subcompartment),包括活跃染色质组成的亚区室、多梳蛋白相关的抑制性的亚区室,和H3K9me2与DNA甲基化标记的异染色质亚区室等。染色质区室包含一些染色质交互结构域(chromatin interacting domain)。在很多动物细胞中,区室内的染色质通常形成很多彼此相对绝缘、内部有很强交互的自交互结构域(self-interacting domain),称为拓扑相关结构域(topologically associating domain, TAD)。动物染色质的TAD结构是基因转录调控的重要结构单元,它的形成通常是由CTCF/cohesin复合物介导的,TAD的边界通常是转录因子CTCF和cohesin蛋白复合物的结合位点。但是植物中并没有发现CTCF蛋白,很多植物却存在TAD类似结构(TAD-like domain)。虽然已经在一些植物的TAD-like domain的边界鉴定到一些转录因子的motif序列,但是究竟是什么蛋白介导植物TAD类结构的形成仍不清楚,因此,鉴定CTCF-like绝缘子蛋白,探索植物基因转录调控的染色质三维结构基础是一个很重要的研究方向。染色质环(chromatin loop)是基因转录调控的基本单元,是指线性距离较远的两个基因组元件(例如增强子,沉默子,启动子等)在蛋白质和RNA等的介导下形成空间上相互靠近的染色质结构。以上所述的不同层级的染色质结构,在很多物种中是保守的,可以在大部分真核生物中鉴定到。但是对于一个物种的不同组织、不同发育时期或不同外界条件下,染色质的三维结构存在或强或弱的动态变化,预示着其对基因的时空差异表达具有潜在的调控作用。

▲ Hierarchicalchromatin organization at multiple-length scales in plants.▲ Hierarchicalchromatin organization at multiple-length scales in plants.

  过去的三维基因组研究,很多是从DNA-DNA交互(DNA-DNA interactions)的层面来研究染色质的三维结构。实际上,RNA作为细胞核的重要组成成分,越来越多的研究表明其在染色质结构的形成中扮演重要的角色。目前,以动物细胞作为研究对象,已经开发了很多全基因组水平检测DNA-RNA交互的技术(例如MARGI,GRID-seq,ChAR-seq等),这些研究揭示了染色质相关RNA的一些作用模式,表明其对染色质局部构象具有调控作用。虽然目前在植物研究中也有一些关于RNA影响染色质局部结构的报道,但是这些研究都是针对特定位点开展。未来的研究需要在植物中建立全基因组水平的DNA-RNA交互捕获技术,大规模鉴定染色质相关的RNA,并研究这些RNA对基因组三维结构的影响以及在植物生长发育过程中发挥的作用。

  液-液相分离(liquid-liquid phase separation, LLPS)是指在过饱和溶液中会形成两种不同浓度的可以稳定共存的液相的现象。在细胞中,某些蛋白质和核酸等生物大分子可以发生相互作用凝集在一起,通过LLPS的机制形成无膜的液滴甚至是无膜细胞器。最新的研究发现,LLPS可以驱动一些染色质区室化的形成,表明LLPS在基因组三维结构的形成中可能发挥重要作用。在植物中,已经有很多关于LLPS相关的无膜凝聚体(condensate)的报道,很多无膜凝聚体与植物的生长发育调控以及基因组结构相关。虽然LLPS究竟如何将基因组三维结构、基因转录调控、植物生长发育等生物学过程联系起来还不清楚,这将是一个非常有意义的研究方向。

  目前植物三维基因组研究的结果很多都是基于“proximity-ligation”的原理开发的技术获得的。因为这些技术是基于DNA末端配对连接的原理,因此只能检测到简单的DNA-DNA交互,而对于复杂的、距离很远的DNA-DNA交互以及DNA-RNA交互,则需要开发新的不依赖接近连接的(ligation-free)技术和DNA-RNA交互捕获技术,或者可以同时捕获多种交互的multi-way的方法。此外,需要开发单细胞水平三维基因组研究技术以及多组学(multimodal omics)技术,从单细胞水平研究基因组三维结构对基因转录的调控作用。

  我校生科院博士生欧阳维枝和和信息学院毕业博士生熊丹博士为该论文的共同第一作者,生科院李兴旺教授和信息学院李国亮教授为该论文的共同通讯作者。

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  由于篇幅所限,今天所分享的仅为近期华中农业大学科学研究成果的一部分。更多科研动态,欢迎点击文末“阅读原文”,浏览华中农业大学南湖新闻网科学研究专题进一步了解。

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  文| 唐珊 谢胜松 欧阳维枝

  编辑 | 刘涛

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  校对 | 匡敏

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