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李家洋研究組在獨腳金內酯信號轉導機制研究中取得突破性進展

  獨腳金內酯是一種新型植物激素,在植物株型建成中發揮關鍵作用,調控植物的生長發育以及對幹旱、低磷、低氮等逆境的適應能力,對農作物改良增産具有重要價值。但是該激素也會刺激寄生雜草種子的萌發,造成農作物的嚴重減産。因此對獨腳金內酯信號途徑的研究具有重要的科學意義和應用價值。 

 

  2020611日,中國科學院遗传與发育生物学研究所李家洋院士团队在国际著名期刊《自然》在线发表了题为“Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis的研究論文(DOI:10.1038/s41586-020-2382-x.),系統鑒定了擬南芥獨腳金內酯早期響應基因,闡明了獨腳金內酯調控分枝數目、葉片形狀以及花青素積累的分子機制,突破了獨腳金內酯信號途徑研究的瓶頸;進一步發現SMXL6,7,8能夠作爲轉錄因子調控自身轉錄,同時作爲轉錄抑制蛋白調控分枝等發育過程,揭示了一種全新的植物激素信號轉導機制。 

 

  李家洋研究組長期從事獨腳金內酯的合成及信號轉導研究,發現獨腳金內酯能夠誘導其受體D14F-box蛋白D3/MAX2以及抑制蛋白D53/SMXL2,6,7,8形成複合體,啓動信號轉導,誘導D53/SMXL2,6,7,8發生泛素化修飾介導的蛋白降解,解除對下遊基因的轉錄抑制,調控植物株型以及作物産量(Lin et al., 2009, Plant Cell; Jiang et al., 2013, Nature; Wang et al., 2015, Plant Cell; Song et al., 2017, Cell Research; Duan et al., 2019, PNAS; Wang et al., 2020, Plant Cell)。近期與合作者研究发现獨腳金內酯途径在水稻“绿色革命”中被广泛应用,对水稻的稳产和广适性非常重要(Wang et al., 2020, Mol Plant)。 

 

  然而目前僅有少量獨腳金內酯早期響應基因得到鑒定,遠不足以解釋獨腳金內酯在植物生長發育多個方面的重要調控作用;獨腳金內酯的人工合成類似物rac-GR24能激活獨腳金內酯和karrikin兩條信號途徑,導致已鑒定的響應基因不一定位于獨腳金內酯信號途徑中。 

 

  爲突破獨腳金內酯信號轉導研究的瓶頸,團隊合成了GR24的四種對映異構體,發現GR244DO能夠以依賴于獨腳金內酯受体D14的方式特异激活拟南芥獨腳金內酯信号转导,并系统鉴定了401个獨腳金內酯早期响应基因。发现獨腳金內酯通过激活BRC1的表達上調HB40的表達,進而提高側芽中ABA的含量抑制分枝發育;通過上調TCP1的表達促進葉片伸長;通過激活PAP1PAP2MYB113MYB114的表達,上調花青素合成基因DFRANSTT7的表达促进花青的合成與积累。 

1:獨腳金內酯早期响应基因鉴定 

 

  已有研究表明,在生长素、赤霉素、茉莉素和獨腳金內酯等依赖于泛素降解系统的激素信号通路中,抑制蛋白不能直接結合DNA,通過結合轉錄因子並抑制轉錄因子的轉錄活性,阻遏激素響應基因的表達。 

 

  該團隊發現SMXL6能夠直接結合SMXL6,7,8的啓動子並抑制其轉錄,SMXL7直接結合SMXL6,7,8的啓動子,SMXL8也可直接結合SMXL7的啓動子。SMXL7啓動子的ATAACAA基序是SMXL6結合SMXL7啓動子並抑制其轉錄所必需的。上述結果說明SMXL6,7,8能够作为转录因子直接結合DNA並負調控自身基因的轉錄,從而維持自身的穩態和適度的SL信號響應。同時SMXL6,7,8能够招募转录因子并抑制其转录活性,阻遏獨腳金內酯早期响应基因的转录,调控分枝等发育过程。因此,SMXL6,7,8是具有轉錄因子和抑制蛋白雙重功能的新型抑制蛋白。 

 

2:獨腳金內酯信号转导新机制 

 

  该研究工作是獨腳金內酯信号转导领域的突破性进展,提出了一种全新的植物激素信号转导机制,为探索激素作用机理提供了新思路,具有重要的科学意义。研究揭示了獨腳金內酯信号通路中的转录调控网络,对全面解析獨腳金內酯调控植物生长发育以及环境适应的分子机制、揭示植物與丛枝真菌共生的机制进而培育高产抗逆、营养高效、抗寄生的作物具有重要指导意义。 

 

  中科院遗传发育究所王磊博士和王冰副研究员为该论文的共同第一作者,李家洋研究员和王冰副研究员为共同通讯作者。植物激素平台褚金芳博士、南京农业大学熊国胜教授及中國科學院上海有机化学研究所杨军研究员参與了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委以及中國科學院青促会的资助。