华中农大近期科学研究进展

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  原标题:华中农大近期科学研究进展

来源:华中农业大学

华中农大近期科学研究进展

  在硅和硒协同减轻水稻镉毒性的作用机制方面研究取得进展

  近日,华中农业大学资源与环境学院环境污染修复团队在国际学术期刊Journal of HazardousMaterials发表了题为“Synergistic effect of silicon and selenium on the alleviationof cadmium toxicity in rice plants”的研究论文,报道了硅和硒协同减轻水稻镉毒性的作用机制方面的研究进展。

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  镉(Cd)是环境中分布最广、毒性最强的重金属之一,阻控Cd在植物中的运输和积累,减轻Cd的毒害对于作物的正常生长及人类健康尤为重要。近年来,越来越多的环保材料被用于控制Cd污染,其中硅(Si)和硒(Se)受到广泛关注。Si是土壤中第二丰富的矿质元素,对植物生长和抗逆性有益。Se是动物必需的营养元素,也是植物的有益营养元素。Si或Se减轻Cd毒性的研究较多,但有关这两个元素的相互作用及其对减轻Cd毒的协同作用和机制仍不清楚。

  研究采用水培试验,评估了Cd胁迫下单独和同时使用Si和Se对水稻Cd含量,植株生长及相关生化参数和基因表达的影响。结果表明,Si和Se协同有效缓解水稻植株的Cd毒害。表现为同时使用Si和Se促进稻株生长,降低Cd的转运系数,从而导致茎叶中Cd含量显着降低73.2%。此外,Si和Se协同作用显著降低根和地上部的丙二醛(MDA)含量,增加谷胱甘肽(GSH)和植物螯合素(PC)的含量,增加Cd在根细胞壁和细胞器中的分布。基因表达分析还表明,Si和Se协同作用促进OsHMA2基因的相对表达下调,而OsNramp1和OsMHA3的相对表达上调。

  资源与环境学院硕士研究生黄衡亮为论文第一作者,涂书新教授为论文通讯作者。

  揭示死亡受体信号通路在抗菌感染中的作用机制

  近日,华中农业大学生物医学与健康学院、生命科学技术学院李姗教授课题组以“Arg-GlcNAcylation of TRADD by NleB and SseK1 is crucial for bacterial pathogenesis” 为题,在Frontiers in Cell and Developmental Biology杂志发表研究论文。文章揭示A/E致病菌通过三型分泌系统效应蛋白NleB/SseK1操纵TRADD介导的信号传导,进而逃避宿主的免疫防御机制,为后续相关的研究提供新思路。

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  肠致病性大肠杆菌(EPEC)和鼠伤寒沙门氏菌(S. Typhimurium)是重要的食源性细菌,两者均分泌具有Arg-GlcNAc转移酶活性的三型分泌系统效应蛋白NleB/SseKs。精氨酸 N-乙酰葡萄糖胺化修饰是一种全新的翻译后修饰,可作用于宿主细胞的死亡结构域,抑制宿主死亡受体所介导的细胞死亡。人类基因组中的死亡受体结构域蛋白,多数也都与炎症反应或者细胞死亡信号通路有关。对所有的死亡结构域进行比对,发现有三分之一的蛋白在TRADD的第235位精氨酸所对应的位置拥有保守的精氨酸。

  基于上述发现,李姗课题组在EPEC和沙门氏菌感染期间对含有保守的精氨酸的12个死亡域蛋白进行有限的底物筛选,以鉴定NleB/SseK的生化活性及生理底物。结果发现,EPEC的NleB可修饰TRADD DD,FADD和RIPK1 DD,沙门氏菌的SseK1和SseK3分别通过TRADD Arg235/Arg245和TNFR1 Arg376劫持死亡受体信号。且SseK1完全消除了TRADD过表达诱导的NF-κB激活和细胞凋亡。NleB在体外的底物存在广泛性,然而体内的生理底物一直是未解之谜。利用SseK1和SseK3的底物特异性,在小鼠感染模型中,课题组发现,只有SseK1可以回补细菌定植缺陷,而SseK3是不能的,并且TRADD缺失小鼠也证明TRADD是细菌感染过程中NleB的靶标。SseK3可靶向TRADD的上游受体TNFR1破坏TNF信号传导。但抑制TRADD而不是TNFR1有利于细菌定植,这一发现也强调了TRADD在TNFR1和non-TNFR1信号转导中的抗菌感染作用。

  李姗为该论文通讯作者,硕士研究生胡树繁,黄宇轩,张琦,易雪莹,博士研究生潘兴有重要贡献。

  2020年以来,李姗课题组在前期工作基础上(Li et al., Nature, 2013; Ding et al., Molecular Cell, 2019),先后发表论文揭示NleB/SseK糖基化自修饰的生理功能(Xue et al., Frontiers in Cellular and Infection Microbiology,  2020), SseK3全新的底物筛选及功能研究(Meng et al., Communications Biology, 2020),并发文综述精氨酸糖基化修饰类型及反应机理(Pan et al., Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2020)。

  在水稻重要害虫褐飞虱研究中取得新进展

  近日,华中农业大学植物科学技术学院华红霞教授、生命科学技术学院张启发院士团队联合在《国家科学评论》(National Science Review,NSR)在线发表题为“Ultrabithorax is a key regulator for the dimorphism of wings, a main cause for the outbreak of planthoppers in rice”的研究论文。研究揭示了Hox基因Ultrabithorax(Ubx)在水稻重要害虫褐飞虱中独特的表达模式及其在翅型分化过程中的关键作用,发现了昆虫翅发育调控的新机制。

  地球上的昆虫预计有1000多万种,目前已经命名的昆虫有100多万种。不同种类昆虫翅的质地、颜色、斑纹、翅脉均具有鲜明的个性,而翅的形态特征是昆虫分类的最重要依据。在昆虫的翅发育过程中,Ubx是一个决定性基因,决定着前翅与后翅的形态分化。已有的研究表明:在果蝇、甲虫、蝴蝶等昆虫中,前翅不表达Ubx,只在后翅表达Ubx;Ubx在后翅的特异表达,使昆虫后翅的大小、形状、斑纹、翅脉等与前翅不同。比如果蝇前翅不表达Ubx,发育成正常的膜翅,Ubx在后翅表达,使后翅退化成很小的平衡棒。那么,种类繁多的昆虫大家庭所有成员,Ubx的表达模式及其在前后翅分化中的功能是否遵循同一个模式?此外,有些种类的昆虫具有翅多型现象:比如蚜虫种群内有些个体有翅(有翅型),有些个体无翅(无翅型);褐飞虱种群内有些个体翅发育充分(长翅型),有些个体翅发育程度很低(短翅型)。具有翅多型现象的昆虫,Ubx如何调控不同翅型的前后翅发育与分化?这些问题的解答,对揭示昆虫多样性的进化机制、昆虫对环境的适应性机制具有重要的意义。

  褐飞虱是单食性昆虫,只取食水稻,刺吸水稻韧皮部汁液、传播水稻病毒。褐飞虱为害严重时,整片水稻枯萎倒伏。在长期的进化过程中,褐飞虱对水稻产生了高度适应性。在温带及亚热带地区,水稻在冬季无法生长,褐飞虱自身抗寒性差,无法通过休眠或者滞育的方式越冬。为了生存,褐飞虱进化出一套灵活高效的翅型转换系统,以追寻高质量寄主。当水稻营养状况恶化时,褐飞虱种群内以长翅型为主。长翅型成虫的翅发育程度高,前翅与后翅均长于身体,飞行能力强,借助于季风可远距离迁飞到新的栖息地,在新栖息地找到营养状况好的水稻繁衍生息;当水稻营养状况良好时,褐飞虱种群以短翅型为主,短翅型成虫的翅发育程度低,前翅与后翅均短于身体,失去飞行能力,繁殖能力强,种群增殖能力强。两种翅型褐飞虱翅的大小顺序:长翅型前翅>长翅型后翅>短翅型前翅>短翅型后翅。Ubx作为翅形态决定的关键角色,如何灵活地响应水稻营养状况,并启动长翅型或短翅型发育进程,是一个有趣的话题。

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  翅型发育关键基因沉默后显著影响了褐飞虱翅大小

  研究团队通过多年的驯化选择,构建了遗传稳定的褐飞虱长翅品系及短翅品系。利用褐飞虱长翅型与短翅型品系,通过RNAi、qPCR、原位杂交、免疫组化、Gal4-UAS转基因果蝇品系等技术研究褐飞虱Ubx在翅型分化中的功能。研究结果表明,褐飞虱Ubx的表达模式与作用模式,与现有昆虫Ubx的经典理论存在着显著不同。主要表现在一是表达模式不同,褐飞虱Ubx在前翅与后翅翅芽中均有表达。二是Ubx通过剂量效应调控褐飞虱翅的发育程度,褐飞虱后翅Ubx的表达量高于前翅,短翅品系Ubx表达量高于长翅品系,Ubx剂量越高,翅发育程度越低,翅越小,反之,Ubx剂量越低,翅发育程度越高,翅越大。三是水稻营养状况调控褐飞虱胰岛素受体InR1/2的表达量,而InR1/2进一步调控褐飞虱Ubx的表达,营养贫乏的黄熟期水稻使InR1表达量升高,InR1抑制Ubx的表达量,使褐飞虱发育为长翅型,利于褐飞虱种群迁飞,寻找新的栖息地;营养丰富的分蘖期水稻使InR2表达量升高,InR2上调Ubx的表达量,使褐飞虱发育成短翅型,利于种群的增殖。

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  翅型发育关键因子在褐飞虱暴发危害中的作用

  研究结果证明,褐飞虱的Ubx没有采用果蝇、甲虫、蝴蝶等昆虫的0-1(前翅-后翅)模式,而采用剂量高低控制翅的大小,根据水稻的营养状况及时调整表达量,保证翅的可塑性,翅型的发育与水稻营养状况保持高度契合,利于种群的生存繁衍。有趣的是,Ubx就像一支军队,不“出征”的时候低调潜伏在前翅翅芽与后翅翅芽,使褐飞虱发育成长翅型;需要“出征”时立即高调大量现身,使褐飞虱发育成短翅型。果蝇、赤拟谷盗等昆虫,前翅在发育过程中至始至终没有Ubx,前翅与后翅形态发育方向很早就已确定,不可能产生翅可塑性。因此,褐飞虱Ubx的特殊表达模式及作用模式,保障了翅发育的灵活性与可塑性,提高其对水稻的适应能力。

  该研究结果首次报道了半翅目昆虫Ubx的特殊表达模式及功能,突破了昆虫翅发育的经典理论,为揭示褐飞虱成灾的内在机制、褐飞虱寄主适应性机制、开展褐飞虱在虫源地迁出时间的精细化预测提供了重要依据。

  华中农业大学植物科学技术学院博士研究生刘方舟、李祥、赵慕华为论文共同第一作者,张启发教授和华红霞教授为论文通讯作者。

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  文 | 毋文广 胡树繁 马伟华

  编辑 | 刘涛