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生物系郭红卫教授团队《PNAS》在线发表乙烯调控根毛生长发育的分子机制新成果

生物系郭红卫教授团队《PNAS》在线发表乙烯调控根毛生长发育的分子机制新成果

日期 2017 12 14/分类 学术研究

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  2017年12月12日,南科大植物与食品研究所郭红卫教授团队在国际著名学术刊物《PNAS》在线发表了题为 “Ethylene Promotes Root Hair Growth through Coordinated EIN3/EIL1 and RHD6/RSL1 Activity in Arabidopsis”的研究论文。图片1
  根毛是植物根表皮的管状突起,是植物吸收水分、矿质元素以及与土壤微生物进行相互作用的重要器官。根毛的生长发育具有高度的可塑性,其生长密度与相对长度都可应对土壤环境的不同作出适应性的调节,是研究植物环境响应的良好模型。乙烯是植物重要的环境胁迫信号分子,对根毛生长发育的调控作用很早就被发现,但对于其中的作用机制却一直不清楚。
  郭红卫教授实验室在植物乙烯信号转导领域处于国际领先地位,多年来为乙烯信号转导分子机制的阐明做出了重要的贡献,其中包括发现乙烯信号转导的蛋白降解模型(Cell, 2003;Plant Cell, 2010)、乙烯信号从内质网到细胞核传递的”剪切-入核”机制(CellResearch, 2012)及3’UTR非编码RNA介导的翻译调控模型(PNAS, 2006;Cell, 2015)等一系列突破性成果。此外,多年来团队也一直关注乙烯信号调控植物根生长(Plant Cell, 2011)、顶端弯构形成(Cell Research 2012; Plant Cell, 2014)及衰老(Plant Cell, 2013; 2017)等生长发育过程的分子遗传机制。郭红卫团队PNAS发表的这一最新成果主要揭示了植物激素乙烯调控拟南芥根毛生长发育的分子机制,该研究加深了对乙烯生理功能机制的理解,为通过分子育种提高植物营养吸收能力等优良性状提供了理论依据。
  团队首先通过分子遗传分析发现,乙烯信号通过核心转录因子EIN3/EIL1直接调控根毛生长的主效调控因子RSL4基因的转录表达,从而促进拟南芥根毛的伸长(elongation)生长(Fig 1)。
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Fig 1. RSL4, the master regulator of root hair elongation, is a direct target of EIN3.

  进一步研究发现,乙烯对根毛伸长的促进作用很大程度上依赖于根毛发生重要调控因子RHD6/RSL1的功能。通过体内外相互作用和亚细胞共定位等分析,团队揭示了EIN3/EIL1与RHD6/RSL1协同调控RSL4基因转录表达从而促进根毛伸长的分子机制(Fig 2)。由于RHD6/RSL1是非典型的转录因子,其DNA结合能力一直没有得到证实,EIN3/EIL1与RHD6/RSL1的协同互作机制阐明了RHD6/RSL1发挥转录调控功能的可能机制。 
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Fig 2. EIN3/EIL1 coordinate with RHD6/RSL1 to upregulate RSL4.

  为了进一步探索EIN3/EIL1与RHD6/RSL1的协同互作在根毛发育过程中的重要作用,团队在已有分子遗传证据的基础上进行了转录组分析。研究发现EIN3/EIL1与RHD6/RSL1协同调控大量根毛生长发育相关基因,这些下游基因不仅参与根毛的伸长生长,还涉及根毛的起始发育(Fig 3)。进一步的表型分析也很好的应证了转录组的结果:ein3eil1 rhd6rsl1多重突变体对外施乙烯、生长素、细胞分裂素及缺磷、缺氮等环境刺激不敏感。相对于野生型或rhd6rsl1双突变体,ein3eil1 rhd6rsl1的根毛发育不能被诱导起始。这些结果表明,EIN3/EIL1与RHD6/RSL1的协同互作提供了环境信号和内源发育信号之间整合节点,在拟南芥根毛的起始发育和伸长生长中都起到至关重要的作用(Fig 4)。
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Fig 3. EIN3/EIL1 and RHD6/RSL1 co-regulate both hair initiation and elongation genes.

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Fig 4. Molecular mechanism underlying ethylene-promoted root hair development through coordinated EIN3/EIL1 and RHD6/RSL1 activity in Arabidopsis

  南方科技大学生物系访问学者冯莹博士为该文章的第一作者,讲座教授郭红卫、高级研究学者王益川博士为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心以及南方科技大学引进人才启动基金的资助。
文章链接:http://www.pnas.org/content/early/2017/12/11/1711723115 

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