Plant Biotechnology Journal|华中农业大学揭示miR156a的SBP-Box转录因子SlSPL13激活番茄中的 SFT调节花序形态

Plant Biotechnology Journal|华中农业大学揭示miR156aSBP-Box转录因子SlSPL13激活番茄中的 SFT调节花序形态

华中农业大学张俊红课题组于Plant Biotechnology JournalIF:8.154)上发表了一篇题为“miR156atargeted SBPBox transcription factor SlSPL13 regulates inflorescence morphogenesis by directly activating SFT in tomato”的研究文献,该文献揭示了miR156aSBP-Box转录因子SlSPL13通过直接激活番茄中的 SFT调节花序形态。

文章来源

背景

植物结构是作物产量的重要决定因素。高等植物的花序和侧枝由侧生分生组织产生。花序的结构对在番茄果实产量有直接影响。miR156a通过抑制SPL转录因子基因家族的表达,在确定番茄花序和侧枝的结构中起重要作用。但是,仍然缺乏其与花序形态有关的调控途径的信息。在这项研究中,我们证明了SPL13主要在SPL参与miR156a调控的番茄花序结构测定和侧枝生产方面的作用。


结果

RNAiSPL13的抑制和miR156a的过度表达产生相似的表型

miR156a在番茄的发育和繁殖中起着至关重要的作用。为了确定miR156a用于调节番茄发育和繁殖的分子机制,使用转基因方法对所有七个目标SPL基因进行了功能鉴定。进一步研究发现,在转基因植物中,观察到总产量和平均果实重量降低。SPL13 -RNAi植物和35S-miR156a植物在表型上相似。

番茄植株表型

1. 转基因SPL13RNAi35S-miR156a番茄植株在表型上相似

 

CR spl1335SmiR156aSPL13RNAi植物在表型上相似

为了进一步评估敲低SPL13基因表达和miR156a过表达引起的表型之间的相关性,我们使用CRISPRCas9生成了包含SPL13基因敲除等位基因的转基因番茄品系(CR spl13)。结果证明了CR spl13转基因番茄植物SPL13RNAi系和35S-miR156a系在表型上相似。这些结果表明,SPL13-RNAi转基因系的表型主要是由下调SPL13的表达引起的,而35S-miR156a系中miR156a的主要靶基因是SPL13

突变体的花序和侧枝

2. CRspl13突变体的花序和侧枝的营养枝增加

 

miR156a干扰表达SPL13

为了进一步测试SPL13基因是否是miR156a的靶标,我们定量了在异源猪笼草中与miR156a共表达时带有抗原决定簇的SPL13SPL13-FLAG)蛋白的水平。数据表明miR156a可以影响SPL13蛋白的积累,还表明,所预测的切割位点和实际的切割位点是完全一样的。基于这些观察,我们得出结论,SPL13的过表达导致35S-miR156a植物的侧枝恢复。这些结果表明,过表达miR156a通过干扰SPL13 mRNA 的积累而减弱了SPL13蛋白的积累。

内部靶向结果

3.内部靶向SPL13miR156a 

突变植株表型

4. 35SmiR156a中过表达SPL13的定点突变等位基因的植物的表型

 

SPL13TF

因为生物信息学分析表明SPL13蛋白的SBP结构域包含核定位信号,使用共聚焦激光扫描显微镜确定了融合到本氏烟草原生质体中绿色荧光蛋白(GFP)的SPL13的亚细胞分布。发现SPL13-GFP蛋白完全位于细胞核上,这是基于SPL13-GFPGhd7-CFP发射的荧光的完全重叠。相反,从游离GFP发出的荧光分布在整个细胞中。基于这些观察结果,我们得出结论,SPL13在细胞核中积累,并可能在其中充当转录因子。

亚细胞定位

5. SPL13的亚细胞定位

 

SPL13 通过直接结合SFT启动子 中的调控元件来积极调节SFT表达

为了测试SPL13是否可能直接结合SFT启动子并调节SFT基因的转录,我们在SFT启动子中搜索了潜在的含GTAC的顺式元件。发现了四个GTAC序列,进一步研究结果表明,SPL13可以结合两个SFT1SFT2

使用EMSA利用从大肠杆菌表达和纯化的重组SPL13蛋白,进一步分析了SPL13GTAC 顺式元件的结合。根据结果得出:带有FLAG标签的SPL13蛋白可以结合SFT启动子中的核心GTAC基序。LUC / RLU比值测定表明,SPL13可以激活SFT启动子驱动的Luc报告基因。这些结果表明SPL13是体内SFT的转录激活因子。

表达结果

6. SPL13SFT启动子结合并激活SFT表达


结论

结果表明,可以通过调节SFT的表达和调节侧枝的miR156a-SPL途径影响植物产量性状的SPL13miR156a调节的SPL13充当转录激活因子,通过上调SFT等靶基因的表达来控制果实的产生。另外也可能通过影响重要下游基因的表达来控制植物结构。因此,操纵miR156a-SPL途径不仅可以改善番茄,而且可以改善其他作物的水果产量和植物结构。


参考文献

Allen, K.D. and Sussex, I.M. (1996) Falsiflora and anantha control early stages of floral meristem development in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.).Planta, 200, 254–264.

Chuck, G., Cigan, A.M., Saeteurn, K. and Hake, S. (2007) The heterochronic maize mutant Corngrass1 results from overexpression of a tandem microRNA. Nat. Genet. 39, 544–549.

Chuck, G.S., Brown, P.J., Meeley, R. and Hake, S. (2014) Maize SBP-box transcription factors unbranched2 and unbranched3 affect yield traits by regulating the rate of lateral primordia initiation. Proc. Natl Acad. Sci. USA,111, 18775–18780.


该项研究得到了国家重点研究发展计划,国家自然科学基金和中央高校基本科研基金的支持。


论文链接:

https://doi.org/10.1111/pbi.13331

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