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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)途徑起源研究獲進(jìn)展

2021-12-09 昆明植物研究所

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語音播報(bào)

　　獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikins在結(jié)構(gòu)上存在相似之處，且信號(hào)途徑亦有緊密關(guān)聯(lián)。感知獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的受體D14和KAI2互為同源蛋白，同屬α/β折疊水解酶超家族的一支，并通過與相同的F-box蛋白MAX2互作，促使抑制因子SMXL家族的不同成員發(fā)生泛素化降解，從而傳導(dǎo)信號(hào)。KAI2在輪藻和陸生植物中廣泛存在，而D14僅分布于種子植物中，因而D14被認(rèn)為是通過基因復(fù)制和新功能化從KAI2演化而來。然而，KAI2以及整個(gè)獨(dú)腳金內(nèi)酯/karrikin信號(hào)途徑在植物中的起源，尚不清楚。近日，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物進(jìn)化基因組學(xué)研究組與澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)合作研究，多方面證據(jù)顯示水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal Gene Transfer，HGT）在獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)途徑起源和演化過程中起到關(guān)鍵作用。

　　科研人員廣泛搜索多種序列數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，顯著的D14/KAI2同源序列僅分布于輪藻、陸生植物和細(xì)菌中。進(jìn)一步的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，植物D14/KAI2基因家族可能是在輪藻與陸生植物的共同祖先階段，通過水平基因轉(zhuǎn)移從變形菌門細(xì)菌處獲得（圖1A）。細(xì)菌中的同源蛋白R(shí)sbQ也屬α/β折疊水解酶家族成員，可調(diào)控σ^B轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的脅迫反應(yīng)。RsbQ具有酯酶的典型結(jié)構(gòu)，且行使功能需要一個(gè)完整的催化三聯(lián)體，表明它能夠水解其配體。植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ在三維空間結(jié)構(gòu)上整體相似，一些關(guān)鍵的特征結(jié)構(gòu)和功能位點(diǎn)也高度保守（圖1B）。這表明從細(xì)菌RsbQ到植物D14/KAI2的水平基因轉(zhuǎn)移過程中，一些重要的生化特性或在一定程度上被保留。D14/KAI2與RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的比較分析顯示，二者存在較多相似（圖2）。

　　細(xì)菌RsbQ基因的水平轉(zhuǎn)移或直接賦予植物水解其內(nèi)源或根際微生物丁烯酸內(nèi)酯（或類似酯類分子）的代謝功能，且通過蛋白構(gòu)象變化識(shí)別配體這一重要機(jī)制。而后植物通過招募MAX2以及SMXL家族作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件，形成了功能多樣的丁烯酸內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)育分析還顯示，植物中編碼獨(dú)腳金內(nèi)酯合成關(guān)鍵酶D27、CCD7和CCD8的基因家族均是通過細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移（Intracellular Gene Transfer，IGT）最初起源于藍(lán)細(xì)菌共生體（即質(zhì)體前身），隨后經(jīng)基因復(fù)制及新功能化被整合到獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑中。這表明獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)是由不同來源的基因（包括HGT、IGT和垂直傳遞）經(jīng)功能演化后嵌合形成（圖3）。

　　D14/KAI2與RsbQ之間的進(jìn)化關(guān)聯(lián)及其保守性可能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新思路，例如，獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的結(jié)構(gòu)特征可以為細(xì)菌RsbQ配體的鑒定提供有價(jià)值的線索，而RsbQ則可能成為尋找植物KAI2內(nèi)源配體的新工具。

　　相關(guān)研究成果以Origins of strigolactone and karrikin signaling in plants為題，在線發(fā)表在Trends in Plant Science上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究，以及澳大利亞研究理事會(huì)卓越中心等的支持。

　　論文鏈接

圖1.植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ的系統(tǒng)發(fā)育分析及蛋白結(jié)構(gòu)比對(duì)

圖2.植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的模型比較

圖3.植物獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)系統(tǒng)中相關(guān)基因起源的示意圖

　　獨(dú)腳金內(nèi)酯（strigolactones，SLs）最初作為寄生植物種子萌發(fā)的刺激物被發(fā)現(xiàn)，近些年被確認(rèn)為一類新型的植物激素。獨(dú)腳金內(nèi)酯影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的較多方面（如調(diào)控分枝和根系形態(tài)等），并能作為植物與根際微生物之間的交流信號(hào)。Karrikins（KARs）是植物燃燒產(chǎn)生的小分子，包含一個(gè)類似于獨(dú)腳金內(nèi)酯D環(huán)的丁烯酸內(nèi)酯部分。Karrikins最初也是作為種子萌發(fā)信號(hào)分子被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在則被認(rèn)為是一類未知的植物內(nèi)源性分子（KLs）的類似物。該內(nèi)源性分子通過karrikin信號(hào)途徑發(fā)揮作用，影響較多植物發(fā)育及生理過程，如幼苗光形態(tài)建成、葉片發(fā)育和非生物脅迫反應(yīng)等。
　　獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikins在結(jié)構(gòu)上存在相似之處，且信號(hào)途徑亦有緊密關(guān)聯(lián)。感知獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的受體D14和KAI2互為同源蛋白，同屬α/β折疊水解酶超家族的一支，并通過與相同的F-box蛋白MAX2互作，促使抑制因子SMXL家族的不同成員發(fā)生泛素化降解，從而傳導(dǎo)信號(hào)。KAI2在輪藻和陸生植物中廣泛存在，而D14僅分布于種子植物中，因而D14被認(rèn)為是通過基因復(fù)制和新功能化從KAI2演化而來。然而，KAI2以及整個(gè)獨(dú)腳金內(nèi)酯/karrikin信號(hào)途徑在植物中的起源，尚不清楚。近日，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物進(jìn)化基因組學(xué)研究組與澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)合作研究，多方面證據(jù)顯示水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal Gene Transfer，HGT）在獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)途徑起源和演化過程中起到關(guān)鍵作用。
　　科研人員廣泛搜索多種序列數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，顯著的D14/KAI2同源序列僅分布于輪藻、陸生植物和細(xì)菌中。進(jìn)一步的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，植物D14/KAI2基因家族可能是在輪藻與陸生植物的共同祖先階段，通過水平基因轉(zhuǎn)移從變形菌門細(xì)菌處獲得（圖1A）。細(xì)菌中的同源蛋白R(shí)sbQ也屬α/β折疊水解酶家族成員，可調(diào)控σB轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的脅迫反應(yīng)。RsbQ具有酯酶的典型結(jié)構(gòu)，且行使功能需要一個(gè)完整的催化三聯(lián)體，表明它能夠水解其配體。植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ在三維空間結(jié)構(gòu)上整體相似，一些關(guān)鍵的特征結(jié)構(gòu)和功能位點(diǎn)也高度保守（圖1B）。這表明從細(xì)菌RsbQ到植物D14/KAI2的水平基因轉(zhuǎn)移過程中，一些重要的生化特性或在一定程度上被保留。D14/KAI2與RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的比較分析顯示，二者存在較多相似（圖2）。
　　細(xì)菌RsbQ基因的水平轉(zhuǎn)移或直接賦予植物水解其內(nèi)源或根際微生物丁烯酸內(nèi)酯（或類似酯類分子）的代謝功能，且通過蛋白構(gòu)象變化識(shí)別配體這一重要機(jī)制。而后植物通過招募MAX2以及SMXL家族作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件，形成了功能多樣的丁烯酸內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)育分析還顯示，植物中編碼獨(dú)腳金內(nèi)酯合成關(guān)鍵酶D27、CCD7和CCD8的基因家族均是通過細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移（Intracellular Gene Transfer，IGT）最初起源于藍(lán)細(xì)菌共生體（即質(zhì)體前身），隨后經(jīng)基因復(fù)制及新功能化被整合到獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑中。這表明獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)是由不同來源的基因（包括HGT、IGT和垂直傳遞）經(jīng)功能演化后嵌合形成（圖3）。
　　D14/KAI2與RsbQ之間的進(jìn)化關(guān)聯(lián)及其保守性可能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新思路，例如，獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的結(jié)構(gòu)特征可以為細(xì)菌RsbQ配體的鑒定提供有價(jià)值的線索，而RsbQ則可能成為尋找植物KAI2內(nèi)源配體的新工具。
　　相關(guān)研究成果以O(shè)rigins of strigolactone and karrikin signaling in plants為題，在線發(fā)表在Trends in Plant Science上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究，以及澳大利亞研究理事會(huì)卓越中心等的支持。
　　論文鏈接
　　圖1.植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ的系統(tǒng)發(fā)育分析及蛋白結(jié)構(gòu)比對(duì)
　　圖2.植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的模型比較
　　圖3.植物獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)系統(tǒng)中相關(guān)基因起源的示意圖
　　

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