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南科大郭红卫教授团队在《Plant Cell》、《Plant Journal》等发表一系列乙烯调控植物生长发育分子机制的最新成果

南科大郭红卫教授团队在《Plant Cell》、《Plant Journal》等发表一系列乙烯调控植物生长发育分子机制的最新成果

日期 2018 08 15/分类 学术研究

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2018年8月13日,南方科技大学植物与食品研究所郭红卫教授团队在植物学顶级期刊《Plant Cell》在线发表了题为“Integrated Regulation of Apical Hook Development by Transcriptional Coupling of EIN3/EIL1 and PIFs in Arabidopsis”的研究论文。南方科技大学访问学者张兴博士(现杜克大学博士后)为论文第一作者,郭红卫教授为论文通讯作者。
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        固着生长的植物必须通过调整自身发育形态以适应外界多变环境。顶端分生组织在植物的生长发育过程中至关重要,是地上组织发育壮大的重要细胞来源。为避免出土过程中受到机械损伤,双子叶植物幼苗的下胚轴顶端主动发生弯曲,形成“顶端弯钩”(apical hook)与上层土壤直接对抗,将两片子叶及其中间的分生组织佑于羽翼,由此保护脆弱的顶端分生组织。研究表明,弯钩角度越大的幼苗出土成活率越高,顶端弯钩消失的幼苗则无法成功出土。因此,顶端弯钩的正常发育在双子叶植物种子萌发后对土壤环境的适应中至关重要。

        植物顶端弯钩的发育过程受到外源光、温度等信号和多种内源植物激素信号的调控,但调控机制并不清楚。郭红卫教授团队在2012年和2014年的工作相继发现乙烯信号通路的核心转录因子EIN3/EIL1直接结合HOOKLESS1 HLS1)的启动子序列并激活其基因转录,以此促进顶端弯钩的形成(An et al., 2012 Cell Research; Zhang et al., 2014 Plant Cell)。HLS1是顶端弯钩形成的重要调控因子,突变体呈现弯钩完全消失的表型。本研究延续过去的工作,发现PIFs转录因子是顶端弯钩发育过程中除EIN3/EIL1之外的又一类正向调控因子。PIFs是促进植物暗形态建成的核心蛋白,在见光后被迅速降解以开启光形态建成。PIFs识别E-box序列(CAAATG,区别于EIN3/EIL1结合位点)并直接结合HLS1启动子从而上调HLS1表达促进顶端弯钩发育,此过程不依赖于EIN3/EIL1的存在。同时,EIN3/EIL1与PIFs以相似模式响应上游信号(植物激素乙烯、茉莉素、赤霉素和光),同时缺失两者后顶端弯钩表型消失并且不再受上游信号调控(图1. A)。故此,本研究揭示了EIN3/EIL1与PIFs两类转录因子组成的整合节点,共同介导光和激素等上游信号并调控HLS1等在顶端弯钩发育中具有重要作用的一系列基因(图1. B)。同时,本研究揭示的内源信号与外源信号整合调控植物生长发育的分子机制也为研究植物信号网络提供了一个范例。 

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 1. EIN3/EIL1PIFs整合调控拟南芥顶端弯钩发育。 A. 不同遗传背景的拟南芥黄化苗暗中生长三天的顶端弯钩表型; B. EIN3/EIL1和PIFs整合上游信号调控顶端弯钩及其它发育过程的模型图。(引自 Zhang et al. 2018 Plant Cell )

     郭红卫教授团队长期致力于植物激素信号传导机制的研究,并以植物激素乙烯作为重点研究内容,揭示了乙烯信号传导的新机制以及乙烯与其它信号通路的交叉机制。除了上述工作,团队最近还在著名植物学期刊《Plant Journal》、《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表两项重要工作。其中《Plant Journal》工作为与上海师范大学杨仲南教授团队合作研究成果(郭红卫教授为共同通讯作者),该工作揭示了乙烯调控植物受精过程中助细胞退化的分子机制(图3);《Journal of Integrative Plant Biology》工作揭示了乙烯通过生长素途径调控拟南芥主根微管细胞骨架重排的作用机制(图3)(郭红卫教授与其团队成员王益川博士共同担任通讯作者)。通过以上研究,郭红卫教授团队进一步拓展了我们对乙烯整合其他内外源因素调控植物生长发育的分子机制,并为未来农业通过生物技术改善农作物出土、生根及节籽等重要性状提供了新的调控思路。以上研究得到了国家自然科学基金、南方科技大学、北大-清华生命科学联合中心的资助。

5 (2)2. 乙烯信号突变体及转基因回复株系中种子形态及败育情况。 A.不同遗传背景材料果荚中种子形态; B. 不同遗传背景材料种子败育统计。(引自 Zhang et al. 2018 Plant Journal)

 

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3. 乙烯诱导的微管骨架重排和主根伸长抑制。 A. 不同浓度微管骨架解聚药物处理下乙烯诱导的微管骨架重排; B. 不同浓度微管骨架解聚药物处理下乙烯诱导的主根伸长抑制。(引自 Wang et al. 2018 Journal of Integrative Plant Biology)

 

Plant Cell 文章全文链接:

http://www.plantcell.org/content/early/2018/08/13/tpc.18.00018

Journal of Integrative Plant Biology文章全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jipb.12666

Plant Journal文章全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.14027

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