不一樣的實驗室，2017年發表37篇國際頂級文章
iNature：2017過去匆匆，iNature經過仔細的觀察，這一年朱健康組的科研成果斐然，我們從pubmed裡面搜索，單單在2017年，我們發現以朱健康為通訊作者的有37篇文章，而且絕大部分文章都是IF>8以上的文章；另外非通訊作者的文章有6篇。朱健康研究組主要有3個方向，分別是植物stress領域，表觀遺傳領域，基因編輯領域，現在iNature編輯部就挑選幾篇典型的文章進行介紹。
植物stress領域
作為不能移動的植物，它必須適應環境的變化。環境脅迫引發各種反應，包括由植物激素脫落酸（ABA）介導的生長抑制。將壓力反應與生長相結合的機制知之甚少。在這裡，朱健康及熊延研究組合作發現雷帕黴素激酶的靶標（TOR）磷酸化 ABA受體PYL，以防止在無應激的狀態下，植物被過度激活。這種磷酸化破壞了PYL與ABA和PP2C磷酸酶效應物的結合，導致SnRK2激酶的失活。在脅迫下，ABA激活的SnRK2磷酸化TOR複合物的組分Raptor，引發TOR複合體解離和抑制。因此，TOR信號抑制ABA信號傳導和應激反應，而ABA信號抑制TOR信號和應激時間的生長。植物利用這種保守的磷酸調節反饋機制來優化生長和脅迫反應的平衡。
絲裂原活化蛋白激酶級聯反應（MAPK）途徑是將環境刺激轉化為細胞反應的重要信號模塊。朱健康研究組顯示MPK3，MPK4和MPK6在冷處理後迅速被激活。 mpk3和mpk6突變體顯示CBF基因的表達增加，並且提高了冷凍耐受性，而植物中MKK4 / 5-MPK3 / 6級聯的組成型激活導致CBF基因的表達降低和對冷凍的超敏反應，這表明MKK4 / 5-MPK3 / 6級聯負調節冷反應。 MPK3和MPK6可以磷酸化ICE1，一種調節CBF基因表達的鹼性螺旋 - 環 - 螺旋轉錄因子，磷酸化促進ICE1的降解。有趣的是，MEKK1-MKK2-MPK4途徑組成型抑制MPK3和MPK6活性，並在冷反應中起積極作用。此外，MAPKKK YDA和兩種鈣/鈣調蛋白調節的受體樣激酶CRLK1和CRLK2負調節MPK3 / 6的冷激活。研究結果揭示了MAPK級聯在植物冷應激調控中的重要作用。
10月10日，Cell Research雜誌在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心張蘅研究組和朱健康研究組題為「A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value」的研究論文。該研究通過對藜麥基因組的高質量組裝和鹽泡細胞的轉錄組分析揭示了藜麥耐鹽和高營養價值的分子機制。
乾旱脅迫是對作物生產的重大威脅，但是沒有有效的方法來減輕乾旱的對於作物不利的影響。在這裡，朱健康組報道，在脫落酸（ABA）受體激動劑AM1的苄基環中加入氟原子，這可以增加化合物與受體配體結合中的周圍氨基酸殘基之間的氫鍵的數量，來優化其與ABA受體的結合口袋。被稱為AMF的新化學物質在促進氣孔閉合和誘導應激反應基因的表達方面具有長久的效果。在擬南芥和大豆植物中AMF或受體PYL2的轉基因過表達的應用賦予耐旱性提高。當將AMF應用於PYL2過表達轉基因植物時，耐旱性的最大增加是可以實現的。我們的研究結果表明，ABA的類似物與ABA受體的轉基因過表達的結合在幫助植物抗旱的過程中非常有效。
表觀遺傳領域
在真核生物基因組中，由表觀遺傳修飾介導的異染色質化影響鄰近基因的表達，如啟動子區的異染色質化通過抑制轉錄起始下調下游基因的表達。而轉錄區（如內含子區）的異染色質化通過何種途徑影響基因的表達並不清楚。已知染色質調控因子ASI1和EDM2能夠結合內含子區的異染色質組分控制該基因的RNA加工，從而保護了具有完整功能的全長轉錄本的正常表達，但對於ASI1和EDM2在該途徑中如何協作並不清楚。Duan等通過蛋白質組學等方法鑒定到一個具有RNA識別結構域的新蛋白-AIPP1(ASI1 ImmunoprecipitationProtein 1)。AIPP1作為ASI1和EDM2之間的「橋樑」介導二者的互作，並在體內形成蛋白複合體，通過與多聚腺苷酸化途徑的互作，調節內含子具有異染色質組分的基因的正常加工。
2.朱健康等研究組揭示擬南芥DNA主動去甲基化調控的新機制
DNA甲基化是植物和哺乳動物中最主要的表觀遺傳修飾之一，它廣泛參與轉錄抑制、轉座子沉默、細胞發育與分化調節、基因組印跡、X染色體失活、重編程等過程，對維持物種的基因組穩定性、調控基因表達具有重要作用。DNA的甲基化過程和與之拮抗的去甲基化過程共同決定了基因組甲基化總水平及其分布模式。在植物中，DNA主動去甲基化過程是通過ROS1家族介導的鹼基切除修復機制來實現的。朱健康研究組以往的研究發現，組蛋白乙醯化酶IDM1能識別多個表觀遺傳學標記，並對相應位點的組蛋白進行乙醯化，從而改變該特定區域染色體的結構，使得ROS1對該區域的DNA進行去甲基化（Qian et al., Science，2012）。隨後研究又揭示甲基化CpG結合蛋白MBD7通過將IDM2、IDM3、 IDM1三個蛋白招募到甲基化DNA，形成抗沉默蛋白複合體，促使DNA去甲基化酶發揮功能，抑制DNA高度甲基化並阻止轉錄水平的基因沉默（Lang et al., Molecular Cell，2015）。然而， MBD7單獨不能決定IDM1的靶標特異性，因為該複合物並不能指導ROS1去甲基化酶對所有IDM1靶位點進行去甲基化。因此，在IDM複合物中可能存在其他蛋白組分，該蛋白組分與MBD7共同決定著IDM複合物的靶標特異性。
3.揭示DNA甲基化對番茄果實成熟的重要作用
在這項研究中，研究人員利用CRISPR/Cas 9技術獲得了番茄sldml2的突變體，SLDML2基因與擬南芥中的DNA去甲基化酶基因ROS1具有很高的同源性。由於該基因的失活，使得全基因組範圍內的甲基化水平升高，誘導果實成熟的基因表達受到抑制，導致番茄果實不能正常成熟。進一步研究表明，SlDML2 參與了成熟相關基因的激活表達，主要參與了色素合成和口味形成、乙烯生物合成及信號傳導途徑、細胞壁水解等途徑中。另外，令研究者意外是，SlDML2介導的DNA去甲基化也抑制了果實成熟中並不需要的基因的表達，這些基因大多是參與光合作用及細胞壁合成的基因。這項研究不僅發現了SIDML2基因的DNA去甲基化功能，而且揭示了DNA去甲基化在果實成熟發育過程中的重要作用，極有可能調控著果實成熟發育的精確度。該發現揭示DNA甲基化可能是轉錄因子和植物激素之外的第三個最重要的調節果實成熟因子，具有重要的理論和應用價值。
基因編輯領域
1.朱健康研究組利用CRISPR/Cpf1系統簡單高效實現水稻多基因定點編輯
逆境中心朱健康研究組利用Francisella novicida Cpf1 (FnCpf1)和 Lachnospiraceae bacterium ND2006 Cpf1 (LbCpf1)對水稻進行單位點和多位點基因敲除的測試，研究表明上述兩個Cpf1隻需一條非常短的20-21bp的直接重複序列（direct repeats, DR）加上22-24bp的靶位點識別序列（guide）即可實現單基因敲除，更重要的是，把多個DR-guide單元直接串聯，只需要一個啟動子驅動即可簡單高效地實現多基因敲除。該研究利用4個DR-guide單元組成的CrRNA短陣列分別對水稻RLK和CYP81A家族的四個基因進行編輯，各位點的敲除效率達到40-75%。該系統簡單、高效地在水稻中實現了多基因定點編輯，拓展了CRISPR系統在植物中的應用，為水稻基因組定點編輯提供了一個新利器。
2.朱健康研究組利用利用雙生病毒載體系統實現CRISPR/Cas9對水稻內源基因的高效定向敲入
逆境中心朱健康研究組改造了Geminivirus中的一個成員---小麥矮縮病毒(wheat dwarf virus, WDV)，在水稻愈傷組織中的測試發現其提供供體分子的數量是傳統T-DNA的數百倍。該研究進一步把CRISPR/Cas9系統和WDV系統整合，輔以定向篩選的方式，對水稻內源的ACT1和GST位點定點插入GFP標記，對轉化植株的鑒定表明外源基因定向敲入的效率最高可達到19%。該研究提供了一種在植物基因組中簡單高效地實現同源重組或外源片段定點敲入的方法，將在基因功能研究和作物精細育種中發揮重要作用。
3.朱健康組利用STTM技術發現水稻miRNA的新功能
MicroRNA (miRNA)是一類在生物體內普遍存在的非編碼、長度約 21個核苷酸的小分子RNA，它在調控植物的器官發育、信號轉導和響應逆境脅迫過程中起著重要作用。由於miRNA基因較小，且大多數miRNA家族都有多個成員組成，具有遺傳冗餘性，所以很難通過傳統的基因功能缺失突變體的方式來研究miRNA的功能。目前對miRNA的研究主要通過過量表達miRNA或過量表達miRNA抗性靶基因（miRNA-resistant）。但miRNA一般調控多個靶基因，這些方法只能部分反應miRNA的功能。 近來發明的靶標模擬技術，例如靶標模擬（target mimic，TM）和短串聯靶標模擬（short tandem targets mimic，STTM），可以有效的阻礙內源miRNA的活性，這使得從基因組水平大規模研究miRNA功能成為可能。
該工作利用STTM技術降低了35個水稻重要miRNA家族的表達水平，發現了水稻許多miRNA調控農藝性狀的新功能，同時驗證了miRNA也可以作為作物改良的重要靶標。在STTM-miRNA水稻株系中，發現miRNA參與調控了水稻株高、分櫱數、穗粒數等眾多重要的農藝性狀，且這種受調控的表型可在連續5代中穩定遺傳。通過這種方法，我們發現了多數miRNA具有一些重要的新功能，比如miR172具有影響莖的發育和穗的密度、miR156具有影響根發育的新功能。同時，通過對miRNA的遺傳調控，證明了miRNA可以作為作物改良的重要靶標。比如通過調控miRNA398的表達水平，可以提高水稻的穗長，穗粒數和穗長等，進而提高水稻的產量。
4.朱健康組利用CRISPR/Cas9系統對水稻基因組進行高效的鹼基替換
逆境中心朱健康研究組基於APOBEC1功能的基礎上，在水稻中開發了一種新的鹼基編輯系統。研究人員合成了APOBEC1，並利用XTEN作為接頭，將其融合到Cas9（D10A）的N末端，同時將核定位信號肽（NLS）添加到Cas9（D10A）的C末端。改造後半激活式的Cas9可切割非編輯的那條鏈，並通過誘導鹼基切除修復（base-excision repair）解決U:G的錯配，從而實現高效的鹼基替換。研究人員通過對兩個編碼重要農藝性狀的水稻基因NRT1.1B和SLR1進行單鹼基CT或C G的單鹼基編輯，單鹼基替換的效率為1.4%-11.5%。但同時也發現，在水稻穩定遺傳轉化系統中，有大約10%的序列顯示核苷酸的插入。
該研究利用鹼基修飾酶實現了CT和CG（GA和GC）替換，在植物中建立的鹼基編輯策略具有簡單、高效以及部分適用性的優點，將使得特定鹼基編輯成為植物基因功能研究和作物育種的一種常規實踐。該技術大大拓展了CRISPR/Cas9技術在植物中的應用，為植物基因功能解析和作物分子育種提供了一項新的技術路線。
註：部分解析參考中科院上海生科院官網，對此表示感謝。
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朱健康，國際著名植物生物學家、植物抗逆分子生物學領軍科學家，美國科學院院士、美國普渡大學生物化學系和園藝及園林系傑出教授。他1988年赴美留學，2000年受聘於美國亞利桑那大學，擔任植物科學系教授，曾任加州大學河濱分校整合基因組學研究所所長，在植物非生物脅迫，表觀遺傳及基因編輯方面取得傑出成就。在世界植物科學領域，他連續多年雄踞全球最高學者引用榜，是毫無爭議的學科「領頭羊」。2012年，中科院上海植物逆境生物學研究中心成立，朱健康通過國家首批「千人計劃」被引進回國。自從回國後，一系列的文章陸續發表，在Science，Cell research，Nature Communications等頂級期刊發表了近一百多篇，在中國保持持續的高產。如果算上先前的文章，總數將近400篇。另外，新興的CRISPR領域（植物）裡面，他起到了至關重要的作用。在他的培養下，多數博後及學生，都在高校裡面找到了教授的職位。
目前，他是中科院上海植物逆境生物學研究中心主任、研究組長、博士生導師。
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