重磅|不一样的实验室，2017年发表37篇国际顶级文章（绝大部分文章IF>8）

iNature：2017过去匆匆，iNature经过仔细的观察，这一年朱健康组的科研成果斐然，我们从pubmed里面搜索，单单在2017年，我们发现以朱健康为通讯作者的有37篇文章，而且绝大部分文章都是IF>8以上的文章；另外非通讯作者的文章有6篇。朱健康研究组主要有3个方向，分别是植物stress领域，表观遗传领域，基因编辑领域，现在iNature编辑部就挑选几篇典型的文章进行介绍。

植物stress领域

1.朱健康等研究组揭示植物生长与胁迫之间的平衡机制（点击阅读）

作为不能移动的植物，它必须适应环境的变化。环境胁迫引发各种反应，包括由植物激素脱落酸（ABA）介导的生长抑制。将压力反应与生长相结合的机制知之甚少。在这里，朱健康及熊延研究组合作发现雷帕霉素激酶的靶标（TOR）磷酸化 ABA受体PYL，以防止在无应激的状态下，植物被过度激活。这种磷酸化破坏了PYL与ABA和PP2C磷酸酶效应物的结合，导致SnRK2激酶的失活。在胁迫下，ABA激活的SnRK2磷酸化TOR复合物的组分Raptor，引发TOR复合体解离和抑制。因此，TOR信号抑制ABA信号传导和应激反应，而ABA信号抑制TOR信号和应激时间的生长。植物利用这种保守的磷酸调节反馈机制来优化生长和胁迫反应的平衡。

丝裂原活化蛋白激酶级联反应（MAPK）途径是将环境刺激转化为细胞反应的重要信号模块。朱健康研究组显示MPK3，MPK4和MPK6在冷处理后迅速被激活。 mpk3和mpk6突变体显示CBF基因的表达增加，并且提高了冷冻耐受性，而植物中MKK4 / 5-MPK3 / 6级联的组成型激活导致CBF基因的表达降低和对冷冻的超敏反应，这表明MKK4 / 5-MPK3 / 6级联负调节冷反应。 MPK3和MPK6可以磷酸化ICE1，一种调节CBF基因表达的碱性螺旋 - 环 - 螺旋转录因子，磷酸化促进ICE1的降解。有趣的是，MEKK1-MKK2-MPK4途径组成型抑制MPK3和MPK6活性，并在冷反应中起积极作用。此外，MAPKKK YDA和两种钙/钙调蛋白调节的受体样激酶CRLK1和CRLK2负调节MPK3 / 6的冷激活。研究结果揭示了MAPK级联在植物冷应激调控中的重要作用。

3.朱健康组和张蘅组Cell Res发文揭示藜麦耐盐和高营养价值的分子机制（点击阅读）

10月10日，Cell Research杂志在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心张蘅研究组和朱健康研究组题为“A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value”的研究论文。该研究通过对藜麦基因组的高质量组装和盐泡细胞的转录组分析揭示了藜麦耐盐和高营养价值的分子机制。

干旱胁迫是对作物生产的重大威胁，但是没有有效的方法来减轻干旱的对于作物不利的影响。在这里，朱健康组报道，在脱落酸（ABA）受体激动剂AM1的苄基环中加入氟原子，这可以增加化合物与受体配体结合中的周围氨基酸残基之间的氢键的数量，来优化其与ABA受体的结合口袋。被称为AMF的新化学物质在促进气孔闭合和诱导应激反应基因的表达方面具有长久的效果。在拟南芥和大豆植物中AMF或受体PYL2的转基因过表达的应用赋予耐旱性提高。当将AMF应用于PYL2过表达转基因植物时，耐旱性的最大增加是可以实现的。我们的研究结果表明，ABA的类似物与ABA受体的转基因过表达的结合在帮助植物抗旱的过程中非常有效。

表观遗传领域

1.朱健康及段成国研究组合作揭示新的蛋白复合物通过DNA甲基化调节RNA多聚腺苷酸化(点击查看)

在真核生物基因组中，由表观遗传修饰介导的异染色质化影响邻近基因的表达，如启动子区的异染色质化通过抑制转录起始下调下游基因的表达。而转录区（如内含子区）的异染色质化通过何种途径影响基因的表达并不清楚。已知染色质调控因子ASI1和EDM2能够结合内含子区的异染色质组分控制该基因的RNA加工，从而保护了具有完整功能的全长转录本的正常表达，但对于ASI1和EDM2在该途径中如何协作并不清楚。Duan等通过蛋白质组学等方法鉴定到一个具有RNA识别结构域的新蛋白-AIPP1(ASI1 ImmunoprecipitationProtein 1)。AIPP1作为ASI1和EDM2之间的“桥梁”介导二者的互作，并在体内形成蛋白复合体，通过与多聚腺苷酸化途径的互作，调节内含子具有异染色质组分的基因的正常加工。

2.朱健康等研究组揭示拟南芥DNA主动去甲基化调控的新机制

DNA甲基化是植物和哺乳动物中最主要的表观遗传修饰之一，它广泛参与转录抑制、转座子沉默、细胞发育与分化调节、基因组印迹、X染色体失活、重编程等过程，对维持物种的基因组稳定性、调控基因表达具有重要作用。DNA的甲基化过程和与之拮抗的去甲基化过程共同决定了基因组甲基化总水平及其分布模式。在植物中，DNA主动去甲基化过程是通过ROS1家族介导的碱基切除修复机制来实现的。朱健康研究组以往的研究发现，组蛋白乙酰化酶IDM1能识别多个表观遗传学标记，并对相应位点的组蛋白进行乙酰化，从而改变该特定区域染色体的结构，使得ROS1对该区域的DNA进行去甲基化（Qian et al., Science，2012）。随后研究又揭示甲基化CpG结合蛋白MBD7通过将IDM2、IDM3、 IDM1三个蛋白招募到甲基化DNA，形成抗沉默蛋白复合体，促使DNA去甲基化酶发挥功能，抑制DNA高度甲基化并阻止转录水平的基因沉默（Lang et al., Molecular Cell，2015）。然而， MBD7单独不能决定IDM1的靶标特异性，因为该复合物并不能指导ROS1去甲基化酶对所有IDM1靶位点进行去甲基化。因此，在IDM复合物中可能存在其他蛋白组分，该蛋白组分与MBD7共同决定着IDM复合物的靶标特异性。

3.揭示DNA甲基化对番茄果实成熟的重要作用

在这项研究中，研究人员利用CRISPR/Cas 9技术获得了番茄sldml2的突变体，SLDML2基因与拟南芥中的DNA去甲基化酶基因ROS1具有很高的同源性。由于该基因的失活，使得全基因组范围内的甲基化水平升高，诱导果实成熟的基因表达受到抑制，导致番茄果实不能正常成熟。进一步研究表明，SlDML2 参与了成熟相关基因的激活表达，主要参与了色素合成和口味形成、乙烯生物合成及信号传导途径、细胞壁水解等途径中。另外，令研究者意外是，SlDML2介导的DNA去甲基化也抑制了果实成熟中并不需要的基因的表达，这些基因大多是参与光合作用及细胞壁合成的基因。这项研究不仅发现了SIDML2基因的DNA去甲基化功能，而且揭示了DNA去甲基化在果实成熟发育过程中的重要作用，极有可能调控着果实成熟发育的精确度。该发现揭示DNA甲基化可能是转录因子和植物激素之外的第三个最重要的调节果实成熟因子，具有重要的理论和应用价值。

基因编辑领域

1.朱健康研究组利用CRISPR/Cpf1系统简单高效实现水稻多基因定点编辑

逆境中心朱健康研究组利用Francisella novicida Cpf1 (FnCpf1)和 Lachnospiraceae bacterium ND2006 Cpf1 (LbCpf1)对水稻进行单位点和多位点基因敲除的测试，研究表明上述两个Cpf1只需一条非常短的20-21bp的直接重复序列（direct repeats, DR）加上22-24bp的靶位点识别序列（guide）即可实现单基因敲除，更重要的是，把多个DR-guide单元直接串联，只需要一个启动子驱动即可简单高效地实现多基因敲除。该研究利用4个DR-guide单元组成的CrRNA短阵列分别对水稻RLK和CYP81A家族的四个基因进行编辑，各位点的敲除效率达到40-75%。该系统简单、高效地在水稻中实现了多基因定点编辑，拓展了CRISPR系统在植物中的应用，为水稻基因组定点编辑提供了一个新利器。

2.朱健康研究组利用利用双生病毒载体系统实现CRISPR/Cas9对水稻内源基因的高效定向敲入

逆境中心朱健康研究组改造了Geminivirus中的一个成员---小麦矮缩病毒(wheat dwarf virus, WDV)，在水稻愈伤组织中的测试发现其提供供体分子的数量是传统T-DNA的数百倍。该研究进一步把CRISPR/Cas9系统和WDV系统整合，辅以定向筛选的方式，对水稻内源的ACT1和GST位点定点插入GFP标记，对转化植株的鉴定表明外源基因定向敲入的效率最高可达到19%。该研究提供了一种在植物基因组中简单高效地实现同源重组或外源片段定点敲入的方法，将在基因功能研究和作物精细育种中发挥重要作用。

3.朱健康组利用STTM技术发现水稻miRNA的新功能

MicroRNA (miRNA)是一类在生物体内普遍存在的非编码、长度约 21个核苷酸的小分子RNA，它在调控植物的器官发育、信号转导和响应逆境胁迫过程中起着重要作用。由于miRNA基因较小，且大多数miRNA家族都有多个成员组成，具有遗传冗余性，所以很难通过传统的基因功能缺失突变体的方式来研究miRNA的功能。目前对miRNA的研究主要通过过量表达miRNA或过量表达miRNA抗性靶基因（miRNA-resistant）。但miRNA一般调控多个靶基因，这些方法只能部分反应miRNA的功能。 近来发明的靶标模拟技术，例如靶标模拟（target mimic，TM）和短串联靶标模拟（short tandem targets mimic，STTM），可以有效的阻碍内源miRNA的活性，这使得从基因组水平大规模研究miRNA功能成为可能。

 该工作利用STTM技术降低了35个水稻重要miRNA家族的表达水平，发现了水稻许多miRNA调控农艺性状的新功能，同时验证了miRNA也可以作为作物改良的重要靶标。在STTM-miRNA水稻株系中，发现miRNA参与调控了水稻株高、分蘖数、穗粒数等众多重要的农艺性状，且这种受调控的表型可在连续5代中稳定遗传。通过这种方法，我们发现了多数miRNA具有一些重要的新功能，比如miR172具有影响茎的发育和穗的密度、miR156具有影响根发育的新功能。同时，通过对miRNA的遗传调控，证明了miRNA可以作为作物改良的重要靶标。比如通过调控miRNA398的表达水平，可以提高水稻的穗长，穗粒数和穗长等，进而提高水稻的产量。

4.朱健康组利用CRISPR/Cas9系统对水稻基因组进行高效的碱基替换

逆境中心朱健康研究组基于APOBEC1功能的基础上，在水稻中开发了一种新的碱基编辑系统。研究人员合成了APOBEC1，并利用XTEN作为接头，将其融合到Cas9（D10A）的N末端，同时将核定位信号肽（NLS）添加到Cas9（D10A）的C末端。改造后半激活式的Cas9可切割非编辑的那条链，并通过诱导碱基切除修复（base-excision repair）解决U:G的错配，从而实现高效的碱基替换。研究人员通过对两个编码重要农艺性状的水稻基因NRT1.1B和SLR1进行单碱基C→T或C→ G的单碱基编辑，单碱基替换的效率为1.4%-11.5%。但同时也发现，在水稻稳定遗传转化系统中，有大约10%的序列显示核苷酸的插入。

 该研究利用碱基修饰酶实现了C→T和C→G（G→A和G→C）替换，在植物中建立的碱基编辑策略具有简单、高效以及部分适用性的优点，将使得特定碱基编辑成为植物基因功能研究和作物育种的一种常规实践。该技术大大拓展了CRISPR/Cas9技术在植物中的应用，为植物基因功能解析和作物分子育种提供了一项新的技术路线。

注：部分解析参考中科院上海生科院官网，对此表示感谢。

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　　朱健康，国际著名植物生物学家、植物抗逆分子生物学领军科学家，美国科学院院士、美国普渡大学生物化学系和园艺及园林系杰出教授。他1988年赴美留学，2000年受聘于美国亚利桑那大学，担任植物科学系教授，曾任加州大学河滨分校整合基因组学研究所所长，在植物非生物胁迫，表观遗传及基因编辑方面取得杰出成就。在世界植物科学领域，他连续多年雄踞全球最高学者引用榜，是毫无争议的学科“领头羊”。2012年，中科院上海植物逆境生物学研究中心成立，朱健康通过国家首批“千人计划”被引进回国。自从回国后，一系列的文章陆续发表，在Science，Cell research，Nature Communications等顶级期刊发表了近一百多篇，在中国保持持续的高产。如果算上先前的文章，总数将近400篇。另外，新兴的CRISPR领域（植物）里面，他起到了至关重要的作用。在他的培养下，多数博后及学生，都在高校里面找到了教授的职位。

目前，他是中科院上海植物逆境生物学研究中心主任、研究组长、博士生导师。

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