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华中农大近期科学研究进展
揭示BIC蛋白抑制植物蓝光受体CRY2激活的分子机制
近日,华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和生命科学技术学院结构生物学研究团队在Nature Structural & Molecular Biology发表最新研究成果,其揭示BIC蛋白抑制蓝光受体隐花色素CRY2激活分子机制,成果论文以“Structural insights into BIC-mediated inactivation of Arabidopsis cryptochrome 2”为题发表。
BIC2-CRY2复合物的结构及BICs抑制CRY2的分子机理在本研究中,作者解析了拟南芥中CRY2蛋白 PHR结构域的晶体结构以及BIC2-CRY2复合物的晶体结构,通过结构比对、分子模拟以及生化实验分析,揭示了BIC2抑制CRY2激活的分子机理。
首先,BIC2呈现为极其扩展的结构,蜿蜒曲折地绕着CRY2 a/b以及a结构域之间的沟槽,与CRY2形成广泛的氢键和疏水相互作用。这种广泛的互作可能占据了CRY2的寡聚位点从而抑制了CRY2蓝光介导的寡聚化,也能够促进CRY2寡聚体的解聚,使其保持在单体的状态;并且,BIC2可以阻断CRY2寡聚体与下游转录因子CIB1的相互作用从而阻断蓝光信号的传递。其次,BIC2抑制了CRYs蛋白中生色分子FAD的光还原。在光还原过程中,FAD接受外界电子变为FAD•-,CRY2的D393提供一个质子使FAD•-变为FADH•。通过分子模拟发现,BIC2的结合使电子及质子传递的路径变长,从而阻碍电子及质子传递,抑制FAD的光还原。此外,通过序列比对也发现不同植物物种中的BICs与CRYs蛋白互作的区域非常保守,预示这种抑制机制在植物中普遍适用。
本研究工作首次解析了植物蓝光受体CRYs与互作蛋白的复合物结构,为研究植物蓝光信号接收传递及调控的分子机制提供了一定工作基础,也为CRYs的光遗传学操作应用提供了一些新思路。
博士马羚、王祥和研究生官泽源为本论文的第一作者,殷平教授为论文通讯作者。华中农业大学蛋白质平台为该研究的开展提供了支持,上海同步辐射光源(SSRF)为数据收集提供了帮助。该研究受到了科技部基金、国家自然科学基金和华中农业大学科技自主创新基金的资助。
在油菜钾素营养生理研究上取得进展
近日,华中农大作物养分管理研究团队在New Phytologist上发表了题为“The reduction in leaf area precedes that in photosynthesis under potassium deficiency: The importance of leaf anatomy”的研究论文,揭示了钾营养通过调控叶片超微结构协调作物叶面积和光合速率同步增加的机制。
钾是植物生长所必需的大量元素之一,作物生长发育需钾量大,油菜对缺钾敏感,生产中缺钾胁迫可导致油菜籽减产10-20%。研究团队通过多年的田间观测发现:缺钾过程中油菜叶面积和光合能力呈现不同步变化,即在缺钾胁迫初期,油菜叶面积首先降低,而此时的叶片光合能力无明显变化;随着缺钾胁迫问题加重,叶片光合能力随之显著降低,最终呈现出叶缘焦枯的典型缺钾症状。
钾营养对不同生长阶段叶片的超微结构影响模式图研究团队从叶肉细胞形貌和光合能力两方面分析发现,在缺钾早期,叶肉细胞形貌并无变化,但由于油菜叶片变厚,叶肉细胞纵向方向上面积增加限制了横向的变化,从而导致叶面积扩张受阻。随着叶片生长,缺钾胁迫下叶肉细胞扩增提前,细胞膨大挤压导致细胞空隙降低,叶肉细胞和叶绿体面向细胞空隙的面积降低,叶肉导度显著降低。同时由于缺钾胁迫进一步增加,叶绿体加速解体,相邻叶绿体之间的距离增加,叶绿体面向细胞空隙的面积大幅度降低,增加了CO2的叶肉传输阻力,最终影响叶片光合速率。钾以离子形态存在于植物体内,其在液泡、细胞质和叶绿体中的再分配引起了缺钾时叶肉细胞面积变化早于叶绿体形貌的变化的情况,从而使得叶面积的降低先于光合速率的改变。
资源与环境学院博士研究生胡文诗为论文第一作者,任涛副教授为论文通讯作者。作物养分管理团队教授鲁剑巍和密歇根州立大学教授Thomas D. Sharkey参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、资源与环境学院优秀青年导师培植等项目的资助。
在生物炭钝化土壤重金属和去除水体重金属研究中取得多项进展
近日,华中农大资源与环境学院胡红青教授团队在生物炭钝化土壤中重金属和去除水体中重金属的研究上取得系列进展,该团队研究了多种原始生物炭和改性生物炭对土壤和水体中重金属的固定效果,并深入揭示了生物炭同土壤和水体中重金属的相互作用机制,为生物炭在环境重金属修复中的应用提供了重要依据。
面对日益严重的环境重金属污染问题,原材料来源广泛的生物炭可以作为吸附剂和钝化剂去除水体和固定土壤中重金属,这对于生物质废弃物的回收利用和环境修复是一种双赢的策略。
胡红青教授团队通过对农作物秸秆生物炭在农田重金属污染修复中的应用做了大量研究后发现:水稻秸秆生物炭(RSB)、稻壳生物炭(RHB)和玉米秸秆生物炭(MSB)分别以3%添加到土壤中后Cd的毒性特征浸出(TCLP)浓度分别降低了42.9%,32.7%和36.7%,同时,小白菜地上部和根部中的Cd含量均显著降低;水稻秸秆生物炭添加到Cd污染土壤中后可以增加土壤pH值,吸附固定Cd,还可以通过促进植物生长来降低抗氧化酶的活性;另外,2%水稻秸秆生物炭施用到Ni污染土壤中后DTPA和TCLP提取态Ni含量分别降低了88.9%和76.7%,玉米地上部和根部的Ni含量分别降低了95.2%和66%;生物炭和土壤混合后对Ni的吸附量远高于单纯的土壤,最大吸附量可达到13348 mg kg-1。
以上研究为农作物秸秆生物炭在土壤重金属修复中的应用提供了一些依据,相关结果相继发表在Chemosphere(论文1、2、3)和Journal of Environmental Management(论文4)期刊上,华中农大博士生Saqib Bashir和Umeed Ali分别为第一作者,教授胡红青为通讯作者。
原始生物炭对重金属的固定能力比较有限,如何通过改性方法提高生物炭对重金属的固定能力是目前研究的热点问题。该团队首次将油菜秸秆分别同两种正磷酸盐(Ca(H2PO4)2·H2O和KH2PO4)混合制备得到共热解生物炭,并深入探究了共热解生物炭对水体中Pb和土壤中多种重金属的固定效果及机制。结果表明:正磷酸盐在共热解过程中发生了显著的热化学转化,分别转化为焦磷酸钙、焦磷酸钾和偏磷酸钾,共热解生物炭不仅展现出巨大的Pb去除能力,而且可以高效固定复合污染土壤中Pb、Cd和Cu。共热解生物炭在水溶液中去除Pb主要是通过形成磷-铅沉淀(Pb5(PO4)3Cl、Pb2P2O7和Pbn/2(PO3)n),其在土壤中对重金属的固定机制包括生物炭上的磷、-OH和 -COOH与重金属的直接相互作用,以及生物炭添加导致土壤pH值和有效磷含量增加的间接作用。以上研究为土壤和水体重金属的修复提供了有潜力的生物炭材料,相关结果相继发表在Journal of Hazardous Materials(论文5)和Science of the Total Environment(论文6)期刊上,我校博士生高瑞丽为第一作者,副教授付庆灵为通讯作者。
另外,该团队还首次对比了HNO3、H2O2、KMnO4三种氧化剂氧化油菜秸秆生物炭对水体中Pb的去除效果,并对去除机制进行了定量分析,高锰酸钾氧化生物炭对Pb的固定能力远高于其他氧化剂氧化生物炭,其可以同Pb形成稳定的内圈络合物并通过离子交换作用高效去除酸性水体中Pb,这对氧化剂的筛选和水体Pb修复具有重要意义。相关结果近日在国际期刊Science of the Total Environment(论文7)上发表。我校高瑞丽博士为第一作者,付庆灵副教授为通讯作者。这些研究得到国家科技支撑计划(2015BAD05B02)、国家重点研发计划 (2016YFD0800805)等项目经费支持。
在基因复等位遗传机制方面取得新进展
近日,华中农大油菜团队杨光圣和洪登峰教授课题组在The Plant Journal杂志发表题为“Molecular mechanisms underpinning the multiallelic inheritance of MS5 in Brassica napus”的研究论文,揭示了一个在油菜杂交种制种中被广泛应用的MS5基因调控的细胞核雄性不育系统的复等位遗传机制。
MS5复等位遗传分子机理本研究中,通过CRISPR/Cas9基因编辑证明,恢复基因MS5a和临保基因MS5c都是油菜育性维持所必需的,基因缺失后表现出与不育系相同的减数分裂异常表型。MS5a和MS5c基因在恢复或保持MS5b不育方面功能出现分化的主要原因是它们编码区序列的差异,其次为启动子区的不同造成的表达量差异。雄性不育基因MS5b编码一个嵌合蛋白,包含完整的coiled coil(CC)结构域,但缺失了整个MS5 superfamily domain(MSD)。MS5a或MS5c蛋白可以通过CC结构域形成同源二聚体,MS5b则能通过残留的CC结构域与MS5正常功能蛋白竞争性结合,形成无功能的二聚体。由于MS5b和MS5c表达量几乎相同,在MS5bMS5c杂合材料中,无功能的异源二聚体占优势,从而使得油菜减数分裂异常,遗传上表现为MS5b对MS5c的显性负效应。而在MS5aMS5b杂合单株中,由于MS5a的高表达,大剂量MS5a蛋白的积累保证了减数分裂的正常进行。
这一结果为遗传学上完全显隐性关系的复等位遗传现象提供了一个新的分子机制解释。同时,MS5复等位遗传分子机制的解析,也为MS5调控的雄性不育在油菜及芸薹属其他物种中的应用奠定了基础。
华中农大生命科学技术学院博士后辛强博士为论文第一作者,植物科技学院洪登峰教授为论文通讯作者。校级蛋白质平台为该研究的开展提供了大力支持。本研究受到了国家重点研究开发、国家自然科学基金、华中农业大学科技自主创新基金和博士后创新人才支持计划的资助。
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。
供稿 | 官泽源 胡文诗 高瑞丽 辛强
原标题:《华中农大近期科学研究进展》
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