林風學院吳藹民教授團隊在植物發育及脅迫調控研究上取得新進展

審核發布:宣傳部 費思迎 來源單位及審核人:林學與風景園林學院 陳曉梅 發布時間:2022-11-21瀏覽次數:10

近日,我校林學與風景園林學院/亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室吳藹民教授團隊係列分析了WRKY14KNOXII成員KNAT3/4KNAT3/7等轉錄因子在植物應對高溫脅迫和植物發育中的功能,成果發表在植物學領域知名期刊Molecular PlantPlant PhysiologyJournal of Experimental Botany上。

高溫極端天氣頻次的增多和持續時間的增長已使全球氣候變暖成為各國麵臨的共同問題,嚴重影響農作物生產和糧食安全。植物對高溫響應的分子機製已成為植物學家非常關注的重要科學問題。PIF4在植物熱形態建成中起到關鍵的調控作用,然而PIF4轉錄因子激活活性的精細調控機製仍不十分清楚。吳藹民教授課題組和北京大學秦跟基教授課題組合作近期在國際著名學術期刊Molecular Plant在線發表了題為“Activation Tagging Identifies WRKY14 as a Repressor of Plant Thermomorphogenesis in Arabidopsis”的研究論文,發現了ABT1/WRKY14通過與轉錄因子TCP5相互作用來精細調控PIF4轉錄因子的活性,從而控製植物熱形態建成,並揭示了WRKY14TCP5PIF4形成一個複雜的調控模塊精細微調PIF4的活性以使植物響應不同的溫度變化。


WRKY14的氨基酸序列與ABT2/WRKY35ABT3/WRKY65ABT4/WRKY69的氨基酸序列高度相似並屬於係統發育樹中的同一進化支,這些WRKY的功能均未知。過量表達ABT2/WRKY35ABT3/WRKY65ABT4/WRKY69的轉基因株係均表現出和abt1-D類似對高溫不敏感的表型。通過構建多重突變體,發現abt1 abt2 abt3 abt4四重突變體表現出與abt1-D相反的表型,對高溫更敏感,下胚軸更長;進一步通過酵母雙雜交、熒光素酶互補和Co-IP等實驗證明了ABT1可以與TCP5TCP13TCP17相互作用;通過一係列生化實驗,研究者揭示了ABT1調控植物熱形態建成的分子機製,即ABT1TCP5的相互作用,一方麵抑製了TCP5PIF4轉錄的激活,另一方麵通過與PIF4爭搶TCP5抑製了PIF4-TCP5轉錄激活複合體的活性,從而精細調控PIF4的轉錄激活活性和植物對高溫的反應。研究者還通過一係列的遺傳互作實驗證明了ABT1確實與熱形態建成的正調控因子PIF4TCP5BZR1具有相反的作用

  KNOX(Knotted1-like homeobox)家族基因編碼同源異型結構域轉錄因子,分為KNOX I和KNOX II兩個亞家族,在植物生長發育過程中起重要調控作用。其中I類基因調控頂端分生組織的發育,II類基因在不同植物組織中都有所表達,控製不同組織部位的發育。吳藹民教授團隊在KNOXII參與植物發育調控上開展了一係列工作,在國際知名植物學期刊Plant Physiology在線發表了題為Transcription factors KNAT3 and KNAT4 are essential for integument and ovule formation in Arabidopsis的研究論文(論文鏈接:https://doi.org/10.1093/plphys/kiac513)。

在植物的有性生殖過程中,珠被包裹珠心發育成完整的胚珠才能與花粉受精形成胚囊。現有研究已經報道了許多影響胚囊發育的調控因子,但胚囊發育的具體轉錄調控機製並不十分清楚。課題組研究發現擬南芥中IIKNOX基因成員KNAT3KNAT4之間存在功能冗餘,雙突突變體中內外珠被不能正常發育,產生類珠被結構(integument-like structure),致使不能形成完整的胚珠,從而產生不育的性狀。利用酵母雙雜,雙熒光素互補和免疫共沉澱實驗發現KNAT3KNAT4兩者之間存在互作,並且兩者都與外珠被調控因子INO存在互作,KNAT3/4INO以複合體的形式調控外珠被的發育。以上結果證明了KNAT3KNAT4是胚珠珠被發育重要的調控因子,為植物的生殖生長發育提供了理論根據。

吳藹民教授團隊在Journal of Experimental Botany上發表了The Class II KNOX family members KNAT3 and KNAT7 redundantly participate in Arabidopsis seed coat mucilage biosynthesis”的研究論文。該研究報道了IIKNOX亞家族成員KNAT3KNAT7正調控擬南芥種子的粘液質生物合成,其功能缺失導致種子粘液質產生和柱狀層形成缺陷。該文章被JXB遴選為當期Insight paper,作者Saez-AguayoLargo-Gosen在題為“Rhamnogalacturonan-I forms mucilage: behind its simplicity, a cutting-edge organization”的論文(Journal of Experimental Botany 73, 113299–3303)中高度評價這部分工作對RGI參與的種皮粘液的調控作用。


團隊先前發現KNAT7正調控半纖維素木聚糖的合成(He et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2018, 60, 514-528.  (Cover Story)KNAT3KNAT7功能缺失導致莖稈產生不規則導管、束間纖維壁厚度降低、次生細胞壁成分發生改變;knat3knat7雙突變體S/G型木質素比例降低,其中KNAT3通過與NST1/2相互作用定向調控木質素單體的合成(Qin et al., Journal of Experimental Botany, 2020, 71: 5469-5483)。在此基礎上進一步研究了KNAT3KNAT7功能缺失對種皮粘液的影響。粘液質為特化細胞壁,knat7突變體粘液質產生缺陷,研究進一步發現KNAT3KNAT7在擬南芥種子早期發育階段的粘液質產生調控中發揮重要作用。與野生型相比,knat3單突表型正常,knat7的粘液質厚度僅受到輕微幹擾,而knat3knat7雙突則表現出嚴重的種子粘液質缺陷和柱狀層塌陷。多糖和單糖分析表明,該突變體粘附和可溶性粘液質中的RG-I含量及其生物合成底物GalARha均降低。比較轉錄組分析表明,KNAT3KNAT7可能在RG-I代謝調控中發揮冗餘功能。進一步實驗發現,KNAT3KNAT7通過激活MUM4MUCILAGE-MODIFIED4)表達參與RG-I生物合成的調控。

  亚博ag正规 博士生秦文其,北京大學博士生王寧為Molecular Plant論文的共同第一作者。北京大學秦跟基教授和亚博ag正规 吳藹民教授為論文的共同通訊作者;課題組已畢業碩士研究生陳嘉俊是Plant Physiology論文的第一作者,南開大學門素珍教授等參與了部分研究工作;博士後張媛園和已畢業碩士研究生殷琦是Journal of Experimental Botany論文的共同第一作者,本校吳鴻教授和青島農業大學周功克教授團隊等參與了部分研究工作。研究得到國家自然科學基金等項目的支持。


文圖/林學與風景園林學院

返回原圖
/