钟上威研讨组、邓兴隆研讨组协作提醒出土麦苗
来源:视频网 发表于2019-07-07 20:31:07 编辑:史玉柱
摘要: 2019年5月29日,北京大学生命科学学院、现代农学院钟上威研讨组与邓兴隆研讨组协作在世界闻名学术期刊PNAS上宣布了题为Genome-wide regulation of light-controll

  2019年5月29日,北京大学生命科学学院、现代农学院钟上威研讨组与邓兴隆研讨组协作在世界闻名学术期刊PNAS上宣布了题为“Genome-wide regulation of light-controlled seedling morphogenesis by three families of transcription factors”的研讨论文。文章初次判定了调控出土麦苗形状建成的要害转录因子,并阐明这些转录因子的互作联系与调控机理,构建了出土麦苗形状建成的转录调控分子信号网络。

  土壤中向上成长的植物麦苗,处于漆黑环境中,一起承受着土壤的机械压力。为了习惯土壤中的成长环境,麦苗形状发育为暗形状建成,表现为下胚轴快速向上伸长,子叶扩展被严厉按捺并闭合,削减向上成长所遇到的土壤阻力。一起,麦苗在顶端构成弯钩,维护软弱的顶端分生组织免受土壤机械压力的损害。麦苗出土后,下胚轴伸长按捺,顶端弯钩翻开,子叶也快速翻开和扩展,以吸收更多阳光,完成光合自养成长。麦苗出土前后的形状建成剧变,与所在土壤环境的剧变紧密联系,是研讨植物习惯环境的经典模型。出土前后,麦苗全基因组有超越四分之一的基因表达发作明显改变,这是麦苗形状建成剧变的分子根底,但该进程中全基因组大规模转录调控的分子机制还没有清楚。

  麦苗出土前后有两个首要环境因子发作快速改变:出土前是无光照与有机械压力,出土后是有光照与无机械压力。之前研讨发现光信号通路中有两类转录因子:PIFs和HY5参加调控植物麦苗的光暗形状建成。出土进程中,麦苗能依据土壤机械压力对应组成气体植物激素乙烯,并经过安稳转录因子EIN3和EIL1促进麦苗出土成长。为了研讨这些转录因子对出土麦苗形状建成的调控效果,本研讨选用分子遗传学的办法模仿出土前后这三类转录因子的蛋白改变,一起突变了四个PIFs与EIN3及EIL1,并在六缺突变体中组成型过表达HY5,构建出了HY5ox/pif1345ein3eil1的多重突变体与过表达资料。成果显现,该植株在漆黑环境中组成型呈现为出土后的形状建成,其顶端弯钩彻底消失,下胚轴伸长明显按捺,子叶彻底翻开并彻底扩展。全基因组测序剖析发现,该植株中有近三千个基因的表达在漆黑中发作了反转,组成型呈现为出土后麦苗的表达形式。分子遗传学与转录组测序剖析的成果彼此印证,标明这三类转录因子是调控出土麦苗形状建成的中心转录因子,一起介导出土前后麦苗的全基因组转录调控,完成形状建成的剧变。

  为了阐明土壤中安稳的PIFs与EIN3/EIL1这两类转录因子的效果机制,本研讨进一步在pif1345ein3eil1的六缺突变体中逐个转基因过表达单个PIFs和EIN3。研讨意外发现,在六缺突变体布景中过量表达单个PIFs或EIN3,能部分康复乃至彻底反转很多基因的表达形式。表型剖析显现单个PIFs或EIN3能彻底康复六缺突变体的下胚轴伸长,顶端弯钩构成以及子叶翻开与扩展的表型,使得六缺突变体呈现出相似野生型的暗下形状建成表型。研讨组通对调控麦苗顶端弯钩要害基因HLS1的研讨发现,单个PIFs和EIN3蛋白在六缺突变体布景中能独立地直接结合到HLS1的发动子上,激活HLS1的基因表达,与顶端弯钩彻底回补的表型一起。这些成果阐明在调控出土麦苗的形状建成中,PIFs与EIN3/EIL1这两类转录因子彻底独立且功用冗余。

  该效果机制与钟上威研讨组上一年对叶绿体发育调控所提醒的机制正好相反(Liu et al., Plant Cell, 2019)。在叶绿体发育中,光信号通路的PIFs与机械压力安稳的EIN3构成一个转录调控复合体,相互依靠,一起调控叶绿体发育。出土麦苗在形状建成与叶绿体发育中选用相反的调控机制正好与麦苗出土的杂乱进程相习惯。麦苗出土进程能够分为三个接连的阶段:彻底在土里、部分出土以及终究的彻底出土(见图示)。在土里成长时,麦苗处于漆黑与高强度土壤机械压力,需求按捺叶绿体发育,一起发动暗下形状建成,习惯土壤中环境。破土而出时,虽然麦苗部分显露地上,从漆黑转入光照环境,但顶端还有土壤或泥块。光照能快速降解PIFs和EIN3,但顶端遇到的机械压力能拮抗光照,安稳EIN3。因为叶绿体发育按捺依靠于PIFs与EIN3的一起存在,此刻叶绿体发育被发动,使得麦苗能进行光协效果供能。但因为麦苗形状建成由PIFs与EIN3独立调控,顶端机械压力安稳的EIN3能按捺麦苗形状建成的改变,使其仍坚持土壤中的构成建成,维护麦苗免受顶端机械压力的损害。当麦苗终究打破顶端泥土彻底出土时,PIFs和EIN3蛋白都被降解,麦苗快速完成出土后的形状建成改变,习惯土壤外的成长环境。因而,植物麦苗使用这一十分精巧的效果机制,完美应对了出土进程中的杂乱环境改变,最大程度完成麦苗出土的存活。

  出土进程中植物麦苗形状建成的转录调控示意图

  生命科学学院博士后施慧(现首都师范大学教授,PI),PTN项目研讨生吕默含、罗翊雯及研讨助理刘守成为该论文的并列第一作者。钟上威研讨员与邓兴隆教授是该论文的一起通讯作者。该研讨工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研制方案、蛋白质与植物基因研讨国家重点实验室以及美国国立卫生研讨院的赞助。

  修改:麦洛

  

  责编:山石

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