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Science Advances | 秦跟基课题组发现植物细胞分裂素信号途径 重要新组分

日期: 2022-09-12

植物激素在调控植物可塑性发育等多个方面均起到非常重要的作用。植物遗传学和分子生物学的发展使很多重要植物激素包括生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、脱落酸、茉莉素、油菜素内酯和独脚金内酯的信号通路得以解析。研究发现多个激素的信号途径利用类似的调控机制来精确调节激素信号的输出,如生长素、茉莉素和独脚金内酯信号途径均通过含有EAR基序的转录抑制因子如AUX/IAA、JAZ-NINJA和D53/SMXL招募共抑制因子TPL/TPRs来进行反馈调节,精细控制激素的作用(1-4)。在这些激素的信号途径中,激素促进AUX/IAA、JAZ和D53/SMXL等含有EAR基序的转录抑制因子的降解,从而解除了这些抑制因子与TPL/TPRs形成的复合体对ARF、MYC和IPA等转录因子的抑制,进而激活激素信号途径。另外,乙烯信号途径中的ERFs、脱落酸信号途径中的AFPs以及油菜素内酯信号途径中的BZR1和BES1也都含有典型的EAR转录抑制基序。然而,细胞分裂素信号途径是否受含有EAR基序的转录抑制因子调控还不清楚(5)。

2022年9月9日,s36沙龙国际官网秦跟基教授课题组以题为“Arabidopsis TIE1 and TIE2 transcriptional repressors dampen cytokinin response during root development”在 Science Advances上发表重要进展,发现了含有EAR基序的转录抑制因子TIE1和TIE2通过调控细胞分裂素信号来控制根的可塑性发育,从而揭示了细胞分裂素信号途径中也存在类似于生长素信号途径中AUX/IAA-TPL/TPRs抑制复合体,即TIE1/TIE2-TPL/TPRs抑制复合体来精细调控关键转录因子type B ARR的活性和细胞分裂素信号的输出。

秦跟基教授课题组在研究其课题组发现并命名的TIE转录抑制因子家族功能时发现,当在拟南芥中同时敲除TIE1TIE2基因时,植物的主根明显变短,侧根数也明显减少,严重影响根的形态发育(图1A);而过量表达TIE1的T-DNA插入激活突变体tie1-D的主根变长,侧根数增多(图1B)。与表型相一致,通过TIE1TIE2启动子驱动GUSGFP融合相应基因的稳定转基因株型的分析表明TIE1TIE2均在根中特定区域表达。为研究TIE转录抑制因子控制根形态发育的分子机制,研究人员通过筛选转录因子文库发现TIE1可和细胞分裂素信号途径中的关键转录因子type B ARR相互作用,进一步通过免疫共沉淀和荧光素酶互补实验证明了TIE1和TIE2与type B ARR1和ARR2在体内具有相互作用,并通过生化实验证明了TIE可以抑制type B ARR的转录激活活性。细胞分裂素信号途径的标记分析表明在tie1 tie2双重突变体中细胞分裂信号明显增强。研究人员进一步通过一系列的遗传、RNA-seq和分子生物学等手段证明了tie1 tie2中根的形态变化是由于细胞分裂信号途径中关键转录因子type B ARR活性抑制减弱,增强了细胞分裂素信号的输出,从而抑制了主根的伸长和侧根的数量。该研究还发现type B ARR直接结合在TIE1TIE2启动子区域激活TIE1TIE2的表达,从而形成负反馈环精细调控细胞分裂素信号输出和根的可塑性发育。

该研究不仅发现了细胞分裂素信号通路中的关键组分TIE转录抑制因子,还揭示了TIE调控细胞分裂素信号途径和根的可塑性发育的分子机制,即当细胞通过细胞分裂素受体AHKs感受到植物重要激素细胞分裂素信号后,先在其组氨酸上发生自身磷酸化,随后磷酸基团转移到其天冬氨酸残基上,通过AHPs磷酸化 type B ARRs激活其功能,type B ARRs除调控对细胞分裂素响应的众多基因的表达,还结合到TIE1TIE2启动子区,促进其表达,TIE1和TIE2与type B ARRs相互作用,抑制其活性,在没有细胞分裂素信号输入时及时关闭信号途径(图1C)。该研究不仅完善了重要激素细胞分裂素信号途径,进一步揭示了不同激素信号途径利用类似的转录抑制复合体(含EAR的抑制因子-TPL/TPRs)来精确调控激素的信号输出;还揭示了植物重要地下器官根的可塑性发育,通过外界各种环境因子调控TIEs的表达或蛋白的稳定性,植物可精细调控细胞分裂素信号的作用,使根响应内外条件进行可塑性发育,适应多变的土壤环境。

1. A. 野生型和tie1-1 tie2-1突变体竖直培养14 d后根的形态。tie1-1 tie2-1突变体根的表型明显比野生型短,侧根也比野生型少。B. 野生型和tie1-D竖直培养9 d后根的形态。过量表达TIE1的T-DNA插入激活突变体明显比野生型的长,并且侧根也更多。C. TIE转录抑制因子调控细胞分裂素信号途径的工作模式图。当植物通过细胞分裂素受体AHKs感受到重要激素细胞分裂素信号后,先在其组氨酸上发生自身磷酸化,随后磷酸基团转移到其天冬氨酸残基上,通过AHPs磷酸化 type B ARRs来激活其功能,type B ARRs除调控对细胞分裂素响应的众多基因的表达,还结合到TIE1TIE2启动子区,促进其表达,TIE1和TIE2与type B ARRs相互作用,抑制其活性,在没有细胞分裂素信号输入时及时关闭信号途径,避免了植物对细胞分裂素信号的过度反应。

北京大学博士研究生何清和已毕业的原荣荣博士为该论文的共同第一作者。北京大学秦跟基教授为论文的通讯作者。北京大学已毕业的张甜甜、兰婧秋博士、安丰英老师等同学也参与了该工作。该研究受到国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金(31725005)、创新群体(31621001)以及蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

s36沙龙国际官网秦跟基课题组长期致力于通过研究叶片发育,寻找控制植物器官发育的重要共有保守调控机制。近年来通过分子遗传学和生化等手段发现了多个基因在调控叶片等器官可塑性发育中起重要作用,其中包括该课题组发现的转录因子(TCP和WRKY等)、TCP与转录抑制因子及E3泛素连接酶形成的TCP/TIE/TEAR调控模块来精细调控叶片、表皮毛、分枝和胚珠可塑性发育的新机制(Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018; New Phytologist, 2018; iScience, 2019; Plant Physiology, 2021; Plant Communication, 2022),该工作所揭示的type B ARR-TIE-TPL/TPRs调控模块通过精细控制细胞分裂素信号途径来调控植物根可塑性发育的机制与TCP-TIE-TPL/TPRs调控叶片可塑性发育的机制具有很好的平行性,是细胞分裂素和器官可塑性发育领域的重要进展。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5057

参考文献

(1)H. Szemenyei, M. Hannon, J. A. Long, TOPLESS mediates auxin-dependent transcriptional repression during Arabidopsis embryogenesis. Science 319, 1384–1386 (2008).

(2)L. Pauwels, G. F. Barbero, J. Geerinck, S. Tilleman, W. Grunewald, A. C. Perez, J. M. Chico, R. V. Bossche, J. Sewell, E. Gil, G. Garcia-Casado, E. Witters, D. Inze, J. A. Long, G. De Jaeger, R. Solano, A. Goossens, NINJA connects the co-repressor TOPLESS to jasmonate signalling. Nature 464, 788–791 (2010).

(3)L. Wang, B. Wang, H. Yu, H. Guo, T. Lin, L. Kou, A. Wang, N. Shao, H. Ma, G. Xiong, X. Li, J. Yang, J. Chu, J. Li, Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis. Nature 583, 277–281 (2020).

(4)L. Wang, B. Wang, L. Jiang, X. Liu, X. Li, Z. Lu, X. Meng, Y. Wang, S. M. Smith, J. Li, Strigolactone signaling in Arabidopsis regulates shoot development by targeting D53-Like SMXL repressor proteins for ubiquitination and degradation. Plant Cell 27, 3128–3142 (2015).

(5)J. J. Kieber, G. E. Schaller, Cytokinins. Arabidopsis Book 12, e0168 (2014).