Nature|中科院遗传所研究人员通过EMSA等技术揭示了一种全新的植物激素信号转导机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队在国际著名期刊Nature(IF:43.07)在线发表了题为“Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis”的研究论文,系统鉴定了拟南芥独脚金内酯早期响应基因,阐明了独脚金内酯调控分枝数目、叶片形状以及花青素积累的分子机制,突破了独脚金内酯信号途径研究的瓶颈;进一步发现SMXL6,7,8能够作为转录因子调控自身转录,同时作为转录抑制蛋白调控分枝等发育过程,揭示了一种全新的植物激素信号转导机制。

 

文章来源

 

背景

独脚金内酯是一种新型植物激素,通过抑制侧芽的生长在株型建成中发挥关键作用,同时调控株高、光形态建成、叶片形状、花青素积累、根系形态等诸多生长发育过程以及植物对干旱、低磷等环境胁迫的适应。此外,独脚金内酯作为根际信号促进寄主植物与丛枝菌根真菌的共生,有助于植物吸收水分和营养,但也会刺激寄生杂草种子的萌发,造成农作物的严重减产。因此,对独脚金内酯信号途径的研究具有重要的科学意义和应用价值。


结果

鉴定松果内酯反应基因

为了鉴定对拟南芥中内酰胺基内酯有特殊反应的基因,我们比较了rac-GR24与合成GR245DS,GR244DO和GR24ent-4DO的作用。 我们发现GR244DO可以触发绿色荧光蛋白标记的SMXL6的降解,但对映体GR24ent-4DO几乎没有作用。我们发现GR244DO以D14依赖性方式比GR245DS更高的效率促进了SMXL6、7、8和BRC1的表达,这表明GR244DO通过D14特异性地诱导转录反应,并且是实验性刺激松果内酯信号的理想化学物质。

 

 1:GR244DO有效刺激雌激素内酯信号


内酯 BRC1和芽分支

长链内酯缺乏生物合成缺陷的突变体max3-9中,未伸长腋芽的内源ABA水平降低,但在s678植株中升高,并且brc1-6可以抑制这种升高,表明千丝内酯通过转录诱导提高芽中ABA的水平。结果表明,SMXL6的EAR基序对于腋生芽中松果酸内酯激活的BRC1表达是必不可少的,这可促进ABA的积累并抑制芽的生长。芽生长素运输系统在甲壳内酯调节的芽分支中也可能很重要,可能与EAR无关。因此,SMXL6、7和8通过BRC1的转录抑制和生长素转运的非转录调节来促进枝条分支。

内酯 TCP1和叶的形状

内酯以EAR依赖性方式通过SMXL6促进叶片伸长。我们发现,GR244DO处理后,以D14依赖性方式诱导了调节叶片发育32的TCP1的表达。形成的tcp1-1空突变体的叶子与野生型相似,但它大大降低了s678背景中的叶长与宽之比,表明SMXL6,7,8通过抑制TCP1表达来部分抑制叶片伸长。因此,TCP1对内酯基内酯信号传导中的叶形调节做出了重要贡献。

图2:BRC1和TCP1分别调节松香内酯信号传导中的枝条和叶形

 2:BRC1TCP1分别调节松香内酯信号传导中的枝条和叶形

 

内酯 PAPs和花青素合成

通过PAP1-D突变完全抑制了在max3-9突变体中见到的花青素积累受损,这导致PAP1组成型过表达和花青素33过度积累。更重要的是,s678突变体中的花色苷积累被pap2-1 null突变部分挽救,并且可以被pap1-2 null突变或pap1-2 pap2-1 双突变完全挽救,这表明PAP1和PAP2在下游起作用。 SMXL6、7、8可通过顺丁烯内酯促进的花色苷生物合成。在pap1-D突变体中,GR244DO处理后DFR表达的诱导被破坏,表明PAP1在内酯诱导的DFR表达中起重要作用。这些结果表明内酯诱导PAP1,PAP2,MYB113和MYB114的表达,并因此激活DFR,ANS和TT7的转录,从而提高花色苷的丰度。

图3:松香内酯通过诱导PAP1和花青素生物合成基因的转录来促进花青素的积累

图3:松香内酯通过诱导PAP1和花青素生物合成基因的转录来促进花青素的积累


SMXL6、7、8作为转录因子

SMXL6-HA可以结合SMXL6、7、8和BRC1的启动子区域,但在TCP1,PAP1,PAP2,MYB113或MYB114中未发现SMXL6-结合信号。SMXL6和SMXL7可以直接与SMXL6、7、8的启动子结合,并且SMXL8在体外直接与SMXL7的启动子结合,移位后的条带显示出SMXL7启动子在电泳迁移率迁移中的信号更强(EMSA)。此外,SMXL6不能直接与EMSA中的BRC1启动子结合,这表明SMXL6可能与未知的转录因子一起抑制BRC1的表达。总之,这些结果表明SMXL6、7、8蛋白可以直接结合DNA并对其自身的转录产生负调控,并作为自动调节的转录因子发挥功能,以维持SMXL6、7、8的稳态并下调内酯信号传导。

图4:SMXL6直接与SMXL7启动子结合

 

图4:SMXL6直接与SMXL7启动子结合


结论

我们展示了一种自动调节内酯基内酯信号的模型。SMXL6直接与SMXL6、7、8的启动子结合,并负面调节其转录;松果内酯通过泛素化蛋白水解系统触发SMXL6–D14–MAX2复合物的形成和SMXL6的降解,从而释放SMXL6、7、8的转录抑制作用,并形成负反馈环,这是严格调节SMXL6、7所必需。同时,SMXL6还可以与TPL / TPR蛋白一起起转录阻遏物的作用,主要通过分别抑制BRC1,TCP1和PAP1的转录来调节枝条的分支,叶片的伸长和花色苷的生物合成。这些发现显示了仲内酯信号传导中转录调控的全景。

参考文献

【1】Gomez-Roldan, V. et al. Strigolactone inhibition of shoot branching. Nature 455, 189–194 (2008).

【2】Umehara, M. et al. Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones. Nature 455, 195–200 (2008).
【3】Al-Babili, S. & Bouwmeester, H. J. Strigolactones, a novel carotenoid-derived plant hormone. Annu. Rev. Plant Biol. 66, 161–186 (2015).

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2382-x

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