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New Phytologist|广西大学金健课题组揭示水稻miR164靶向CUC1 基因作用于分生组织/器官边界特化

高等植物的大部分地上部分来自茎顶端分生组织。在SAM中,分生组织/器官原基与其周围环境之间边界的形成对器官的形成至关重要。在拟南芥中,杯状子叶(CUC)基因CUC1和CUC2编码一对副同源的NAC转录因子,并由microRNA miR164负调控,已被证明参与胚胎SAM的形成和边界的确定。由于CUC1和CUC2在功能上是多余的,cuc1和cuc2单突变体都没有表现出严重的幼苗表型,而cuc1和cuc2双突变体表现出严重的子叶融合和缺乏SAM。另一个NAC基因家族成员CUC3是CUC1和CUC2的同源物,也与CUC1和CUC2冗余地参与子叶边界和茎分生组织的建立。虽然许多NAC基因在水稻中已被鉴定,但它们是否参与分生组织或器官边界的确定仍不清楚

 

近日,广西大学金健课题组在New Phytologist上发表一篇名为“The osa-miR164 target OsCUC1 functions redundantly with OsCUC3 in controlling rice meristem/organ boundary specification”的文章,本文研究揭示了水稻中osamiR164c、OsCUC1以及OsCUC3之间的互作作用于器官边界特化


OsCUC1和OsCUC3的表达谱

NAC家族蛋白已显示出起转录因子的作用。由于OsCUC1和OsCUC3编码NAC域蛋白,使用GFP荧光通过在水稻原生质体中瞬时表达OsCUC1-GFP或OsCUC3-GFP框内融合蛋白来确定其亚细胞定位。结果显示,OsCUC1和OsCUC3都位于细胞核内。另外,为了确定这些基因是否具有反式激活活性,将OsCUC1和OsCUC3与GAL4 DNA结合结构域融合并转化入酵母菌株AH109中。含有pBD-OsCUC1的酵母菌株pBD-OsCUC3或pBD-OsCUC3在Trp,His和Ade缺陷型SD培养基中生长,而阴性对照在三缺陷SD培养基中不生长,这表明两个基因都具有反式激活活性。总而言之,这些数据表明OsCUC1和OsCUC3起着转录因子的作用。

 

使用qRT-PCR研究整个植物发育过程中OsCUC1和OsCUC3的表达模式。OsCUC1在叶,片,旗叶和生殖器官,尤其是雄蕊中高度表达。与OsCUC1相比,在所有测试器官中OsCUC3的表达水平均较低。但是,OsCUC3转录本在营养器官中的积累要比在生殖器官中的积累得多。为了获得这两个基因表达模式的细节,我们进行了原位杂交测定。

 

 


水稻中OsCUC1OsCUC3的表达模式

 

OsCUC1与CLD1物理相互作用并维持CLD1在细胞核中的稳定性,以控制叶片形态

敲除水稻中的OsCUC1会导致叶片发育缺陷,类似于卷曲的叶片和矮化1(cld1)突变体的表型。为了验证CLD1是否可以与OsCUC1相互作用,首先测试了CLD1是否像OsCUC1一样位于细胞核中。在水稻原生质体中与核定位标记或膜定位标记瞬时共表达CLD1-GFP框内融合蛋白。绿色荧光蛋白荧光表明CLD1位于膜和细胞核中。此外,通过免疫印迹在细胞核富集部分中检测到CLD1-GFP。该结果进一步证实了CLD1的核定位。然后研究了CLD1和NAC蛋白之间的蛋白相互作用。总体而言,OsCUC1和CLD1之间的蛋白质相互作用可能使CLD1在细胞核中稳定。OsCUC1功能的丧失可能导致CLD1在细胞核中加速降解,从而导致叶片卷曲的表型,类似于cld1突变体的表型。


 


OsCUC1与水稻中的CLD1相互作用

 

植物分生组织/器官边界的特化对于植物的发育是至关重要的。文章中,研究人员发现两个之前未曾有过功能鉴定的NAC转录因子:由osamiR164c负调控的OsCUC1会与OsCUC3形成二聚体,功能部分冗余地作用于水稻分生组织/器官边界的特化。作者构建了水稻OsCUC1和OsCUC3的功能敲除突变体,以及osamiR164c的过表达株系,用以研究水稻中器官边界特化的分子机制;其中,OsCUC1是拟南芥中CUC1和CUC2的同源基因,而OsCUC3与拟南芥的CUC3为同源基因。无论是OsCUC1的突变或是OsCUC3的突变,都会导致分生组织/器官边界的建立缺陷,从而导致雄蕊数量减少,叶片与花丝的融合,而且这些缺陷表型在双突植株中得到明显增强。osamiR164c过表达的转基因植株的表型与OsCUC1敲除株系的表型相似。另外,OsCUC1的敲除还会导致多个缺陷,包括植株结构变矮、雄性不育以及卷曲的叶片。进一步的研究显示OsCUC1会与一个叶片卷曲相关蛋白CLD1互作,能够在细胞核稳定该蛋白,从而控制叶片的形态。 

 

文章链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.16939


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New Phytologist|广西大学金健课题组揭示水稻miR164靶向CUC1 基因作用于分生组织/器官边界特化
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