原标题：华中农大近期科学研究进展
来源：华中农业大学
在油菜表观遗传研究方面取得重要进展
近日，Molecular Plant在线发表了题为“Asymmetric epigenome maps of subgenomes reveal imbalanced transcription and distinct evolutionary trends in Brassica napus”的研究论文。该研究构建了目前为止最大的甘蓝型油菜表观遗传学相关数据集，绘制了其表观遗传参考基因组图谱，解释了甘蓝型油菜亚基因组间不平衡的表观遗传学基础，并鉴定出植物中一种新的二价染色质状态（H3K4me1-H3K27me3），为甘蓝型油菜和其它多倍体植物的表观遗传学相关研究提供了重要资源。
表观遗传在植物的生长发育中有着至关重要的作用，其在不改变DNA遗传信息的情况下，在不同类型的细胞中调控基因的组成型和特异性表达。甘蓝型油菜是重要的异源四倍体农作物，有着复杂的基因组学信息，但其表观遗传学相关的研究还处于起步阶段。该研究以在中国及周边国家广泛种植的华油杂62的两个亲本为实验材料，利用它们四个组织（幼叶、根、花蕾和角果）的五个组蛋白修饰（H3K4me3，H3K27ac，H3K4me1，H3K27me3和H3K9me2）和RNAPII的ChIP-Seq数据，以及相对应的RNA-Seq和DNA甲基化数据，构建了目前为止甘蓝型油菜中最大的表观遗传学数据集，并在此基础上全面系统的绘制了甘蓝型油菜表观基因组图谱，注释了覆盖其基因组65.8%的功能性DNA元件。该研究作为甘蓝型油菜ENCODE计划的一部分，迈出了重要的第一步。
研究者对异源多倍体甘蓝型油菜An和Cn两个亚基因组间的表观遗传学修饰进行了系统性的分析，发现亚基因组间同源基因对的表达偏倚是平衡的，更高表达水平的同源基因有着更高的活跃相关的表观遗传学修饰。但An亚基因组特有基因的整体表达和表观遗传学活性水平都要远高于Cn亚基因组，猜测亚基因组特有基因是甘蓝型油菜亚基因组间不平衡的重要原因之一。
作者在甘蓝型油菜表观基因组图谱中定义了15种染色质状态，观察到An亚基因组中活跃的染色质状态的基因组覆盖度要高于Cn亚基因组，而Cn亚基因组中异染色质状态的基因组覆盖度要高于An亚基因组。另外，通过ChIP-reChIP实验的验证，作者鉴定了一种新的H3K4me1-H3K27me3二价染色质状态。该染色质状态普遍存在于基因本体上，与甘蓝型油菜基因的组织特异性表达有关，在其生长发育过程中起重要作用。但其具体的生物学功能有待进一步深入研究。
该研究全面概述了甘蓝型油菜的表观基因组图谱、An和Cn亚基因组间不平衡的表观遗传学基础、不同类型重复基因的表观遗传学差异以及新鉴定的二价染色质状态在甘蓝型油菜基因组织特异性表达中的重要作用。这些数据为全面解析异源四倍体甘蓝型油菜的基因组提供了重要的资源。
华中农业大学沈金雄教授、李兴旺教授和李国亮教授为通讯作者，博士生章清、管鹏鹏和博士后赵伦为该文章共同第一作者。
原文链接：
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30451-2
在纳米酶介导的生物固氮研究中取得新进展
近日，华中农业大学农业微生物国家重点实验室韩鹤友教授课题组在Environmental science-nano发表题为“Cobalt Ferrite Nanozyme for Efficient Symbiotic Nitrogen Fixation via Regulating Reactive Oxygen Metabolism”的研究论文。该论文报道了一种具有抗氧化活性的铁酸钴纳米酶（CoFe2O4-NPs），并深入解析了其在调控大豆共生固氮协同效应的作用机制。
化学氮肥的施用，在补充作物氮素营养、提高作物产量、保障粮食安全方面发挥了巨大作用，但近年来，其与生态环境及农业可持续发展的矛盾日益凸显。因此，寻求一种高效利用资源、环境友好的新氮素来源势在必行。
生物固氮为全球植物提供75%的氮素，是生命科学中的重大基础研究课题之一，在生产实际中发挥着重要作用，它和光合作用被并称为地球生命活动的基石，为减少化学氮肥使用、缓解环境污染、保持生态平衡、降低农业生产成本提供了一种新的途径。在自然界中，生物固氮是由固氮酶催化的，固氮酶是一种包含铁-钼辅助因子（FeMo）的酶复合物。其对活性氧（ROS）非常敏感，过量的ROS可使固氮酶不可逆地失活，因而ROS的合理调控在根瘤菌-豆科植物共生固氮效率中起着决定性的作用。
▲纳米酶调控共生固氮示意图
韩鹤友教授团队通过模拟构建天然固氮体系，并引入功能性纳米酶对比研究发现，CoFe2O4-NPs具有优异的过氧化物酶活性（图1）。通过在固氮体系中引入CoFe2O4-NPs纳米酶，能够有效缓解固氮过程产生的ROS对固氮酶的氧化胁迫，同时增加豆血红蛋白的积累，为根瘤菌的寄生提供更优越的环境，从而增加根瘤菌的寄生，最终实现固氮酶活性的显著增加。
▲CoFe2O4-NPs纳米酶的体外活性验证
该研究中，研究人员首先对CoFe2O4-NPs纳米酶的体外活性进行了验证，发现在低浓度时，CoFe2O4-NPs表现出优异的过氧化物酶活，拟合得到的米氏常数证实了其类酶活性，活性氧染色实验进一步证实了其对ROS的清除能力（图2）。
▲CoFe2O4纳米酶对根瘤菌生物活性以及固氮相关基因表达中的影响
在通过显微切片和细菌活力染色观察以及透射电镜切片时发现，CoFe2O4纳米酶的引入明显增加了根瘤菌的密度。进一步通过检测相关固氮功能基因（GmnifA, GmnifD, GmnifH, GmnifK）的表达分析，证实了根瘤菌在CoFe2O4-NPs处理条件下相关基因表达上调（图3）。
▲CoFe2O4-NPs纳米酶对ROS含量的影响
研究人员还在大豆的根瘤发育期，对根瘤的二分之一切面进行观察和豆血红蛋白定量分析，发现其豆血红蛋白积累量明显增加；在对根瘤ROS的原位和定量分析中发现暴露于CoFe2O4-NPs中的含量明显降低（图4）。本研究是继课题组碳基纳米酶促进豆科植物共生固氮研究的又一新进展（Nanoscale, 2017; 9: 9921-9937），为促进豆科植物结瘤提供了新思路，进一步拓宽了纳米酶在农业领域的应用前景。
华中农大理学院博士研究生马骏、宋智勇副教授为论文共同第一作者，韩鹤友教授为论文通讯作者，植物科学与技术学院王幼宁副教授也参与该研究。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D0EN00935K
植物缺磷条件下膜脂重塑机制获揭示
近日，华中农大油菜团队首次发现了植物鞘磷脂GIPC可以被NPC4水解，揭示了NPC4介导的植物膜脂重塑新机制。
磷是植物生长发育所必需的一种大量元素，植物对磷素的有效性利用是提高植物产量的关键。细胞内大量的磷素用于细胞膜磷脂的合成，细胞膜磷脂是细胞内磷素的储存库。植物在缺磷条件下，膜磷脂会被磷脂酶水解释放出磷素供其他必需含磷物质（如DNA、RNA、ATP和蛋白质等）的合成，植物通过该机制适应磷素的缺乏，这一代谢过程通过多个关键磷脂酶完成。
非特异性磷脂酶C4（NPC4）是植物NPC家族中活性最强的，在缺磷条件下被诱导表达最高的一个基因。NPC4在植物缺磷条件下的代谢功能尚不清楚，解析NPC4代谢功能的分子生化机制对植物磷素的高效利用意义重大。
在该研究中，研究者通过扩大拟南芥缺磷条件下脂质组的检测，发现植物特有的鞘磷脂糖基肌醇磷酸神经酰胺（glycosyl inositol phosphoryl ceramide，GIPC）在缺磷条件下会显著下降，同时根中鞘糖脂葡萄糖神经酰胺（glucosylceramide，GlcCer）会大幅度上升。研究者检测了缺磷条件下npc4体内的鞘脂变化情况，发现与野生型（WT）相比，缺磷条件下npc4中GIPC的含量显著高于WT，同时GlcCer的含量则显著低于WT，缺磷条件下NPC4的缺失导致鞘脂代谢受阻。研究者进一步通过体外酶活实验分析发现NPC4可将GIPC水解形成羟基神经酰胺（hydroxyceramide，hCer）和带磷酸基团的极性头部。基因表达分析表明拟南芥在缺磷条件下NPC4和GCS（glucosylceramide synthase，葡萄糖神经酰胺合成酶）会被大量诱导表达，诱导的GCS将NPC4水解GIPC生成的hCer转化为GlcCer。这些研究结果表明NPC4水解GIPC，介导了缺磷条件下鞘磷脂到鞘糖脂的转化。
GIPC是植物特有的一种鞘脂，含量占鞘脂总量的60%以上。GIPC是植物细胞膜的重要组成部分，通常与固醇和跨膜蛋白等形成细胞膜上特殊的抗去污剂结构-脂筏，在植物细胞对外界信号响应上发挥着重要作用。亚细胞定位结果证明NPC4定位于细胞质膜（PM），同时可在细胞膜蛋白提取物抗去污剂组分中检测到NPC4-GFP，将分离的细胞质膜蛋白通过蔗糖梯度离心分离，可在脂筏组分中检测到NPC4-GFP。同时脂质分析发现NPC4-GFP可与GIPC共定位，进一步证明了脂筏定位的NPC4可通过水解脂筏中的GIPC使细胞适应缺磷胁迫。
论文链接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa054/6094430
相关评论链接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa057/6094428
文|章清马骏杨报
编辑|刘涛
