科研 | Nature：拟南芥独脚金内酯信号转导的转录调控（国人佳作）
编译：秦时明月，编辑：夏甘草、江舜尧。
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论文ID
原名：Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis
译名：拟南芥独脚金内酯信号转导的转录调控
期刊：Nature
IF：43.07
发表时间：2020.06
通讯作者：王冰&李家洋
通讯作者单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所
DOI号：https://doi.org/10.1038.
实验设计
结果
为了确定拟南芥中对独脚金内酯有特异反应的基因，研究人员比较了rac-GR24与人工合成的GR245DS、GR244DO和GR24ent-4DO对拟南芥的处理效果。研究人员发现GR244DO可以引发GFP标记的SMXL6的降解，而异构体GR24ent-4DO几乎没有作用。尽管5DS立体异构体在触发独脚金内酯生物传感器方面比 4DO更有效，但是GR245DS可以通过D14和KAI2同时激活独脚金内酯和karrikin信号。研究人员发现GR244DO以D14依赖的方式促进SMXL6、GR7、GR8和BRC1的表达，其效率高于GR245DS(图1a，b)，表明GR244DO特异性地诱导转录反应，是刺激独脚金内酯信号的理想化学物质。
研究人员进一步对GR244DO处理进行了RNA-seq分析，2小时后鉴定出99个上调基因和57个下调基因，4小时后鉴定出147个上调基因和150个下调基因(图1c)。这些差异表达基因(DEGs)覆盖了之前报道的对GR245DS和rac-GR24有反应的基因的近四分之一。更重要的是，大约90%的DEGs是新发现的并通过了RT-qPCR验证，表明GR244DO在刺激拟南芥中的独脚金内酯信号方面是高效的。
在2小时内上调的DEGs中最丰富的GO富集涉及微管功能，这表明独脚金内酯信号对细胞骨架的潜在调节功能。早期生长素诱导基因在2小时下调的DEGs中富集，这与之前的发现一致，即大多数rac-GR24抑制基因是由生长素诱导的。处理4小时后，生长素生物合成基因YUCCA3和YUC5的表达下调。先前研究发现，独脚金内酯可以诱导 PIN1的内吞作用，以抑制茎中生长素的极性运输，而生长素可促进独脚金内酯生物合成基因MAX3和MAX4的表达。这些结果表明，在植物结构中，独脚金内酯和生长素之间存在复杂的串联。
研究人员发现GR244DO诱导了拟南芥抗旱所必需的At14a-LIKE 1(AFL1)的表达。更重要的是，smx16、smx17、smx18三重突变体(以下简称s678)表现出很强的耐旱性和AFL1的表达上调。几个karrikin诱导基因也被GR244DO启动，这表明独脚金内酯和karrikin信号通路之间存在串联。此外，KEGG分析表明，类胡萝卜素和类黄酮的生物合成途径分别在2小时和4小时上调的DEGs中富集。
为了研究独脚金内酯如何通过基因的转录调控来控制植物发育，研究人员系统地分析了编码转录因子的DEGs，发现了24个上调的基因和14个下调的基因。研究人员重点分析了其中BRC1、TCP1和PAP1基因，以研究它们在独脚金内酯调控植物发育中的作用。
SMXL6通过与TPL/TPR蛋白相互作用抑制转录，这种作用依赖于其乙烯反应元件结合因子相关的EAR基序。研究人员发现，野生型SMXL6可以挽救s678三重突变体的分枝表型，而缺EAR基序的SMXL6 (SMXL6ΔEAR)则不能。BRC1是抑制芽生长的关键调节因子，在许多途径中起信号整合器的作用。在未伸长的腋芽中，BRC1的表达被SMXL6以依赖于EAR的方式显著抑制。高分枝突变体brc1-6是brc1的一个等位基因，它完全抑制了s678的分枝表型，表明brc1在独脚金内酯介导的抑制分枝中起重要作用。此外，GR244DO以依赖于D14和BRC1的方式诱导HB40，一种调节脱落酸(ABA)生物合成的BRC1靶基因的表达(图2a)。值得注意的是，在独脚金内酯生物合成缺陷突变体max3-9中，未伸长腋芽中的内源ABA水平降低，但在s678植株中升高，这种提高可被brc1-6抑制(图2b)，表明独脚金内酯通过转录诱导BRC1提高芽中的ABA水平。这些结果表明，SMXL6对于独脚金内酯激活的BRC1在腋芽中的表达是必需的，它促进了ABA的积累，并抑制了芽的生长。生长素运输系统在独脚金内酯调节的枝条分枝中也很重要，可能是以一种不依赖于EAR的方式进行的。
独脚金内酯以一种依赖于EAR的方式通过SMXL6促进叶片伸长。然而，s678 brc1-6四重突变体的叶形与s678突变体的叶形相似，这增加了独脚金内酯也通过其他下游基因调控叶片发育的可能性。研究人员发现，调控叶片发育的TCP1的表达是在GR244DO处理下以D14依赖的方式诱导的(图2c)。TCP1在max3-9中的表达水平受到极大抑制，但在s678和max3-9 s678突变体中的表达水平显著升高(图2d)，表明TCP1的转录调控依赖于SMXL6的EAR基序。此外，过表达TCP1并添加12个氨基酸的阻遏序列导致野生型和s678叶片变圆。值得注意的是，虽然tcp1-1缺失突变体的叶片形成与野生型相似，但在s678背景下，它大大降低了叶片的长宽比(图2e)，表明SMXL6、7、8是通过抑制TCP1的表达来抑制叶片的伸长。因此，TCP1在独脚金内酯信号转导的叶形调控中起着重要作用。
GR244DO处理2小时和4小时后，编码R2R3-MYB转录因子并激活花青素生物合成的PAP1、PAP2、MYB113和MYB114的表达显著增高(图3a)。此外，GR244DO处理4h后，PAP1、PAP2、MYB113和MYB114激活的花青素生物合成基因DFR、TT7和ANS的表达也明显增加(图3a)。在max3-9中，内源花色苷水平降低，而在s678突变体中，内源花色苷水平显著增加。相应地，PAP1、PAP2、MYB113、MYB114和DFR的表达水平在max3-9中降低，但在s678和max3-9 s678突变体中显著增加。SMXL6的过表达以EAR依赖的方式抑制了s678中PAP1、PAP2、MYB113、MYB114和DFR的表达和花青素的积累。此外，在max3-9突变体中，花青素积累被Pap1-D突变完全抑制(图3b，c)，这导致PAP1的结构性过表达和花青素的过度积累。更重要的是，PAP2-1突变挽救了s678突变体中花青素的积累，并可被PAP1-2突变或PAP1-2 PAP2-1双突变完全挽救(图3d)，表明PAP1和PAP2在独脚金内酯促进的花青素生物合成中作用于SMXL6、7、8下游。在PAP1-D突变体(图3e)中，GR244DO处理对DFR表达的诱导被干扰，表明PAP1在独脚金内酯诱导的DFR表达中起重要作用。综上所述，这些结果提示了一种基因调控级联反应，即独脚金内酯诱导PAP1、PAP2、MYB113和MYB114的表达，从而激活DFR、ANS和TT7的转录，从而提高花青素的含量。
为了了解SMXL6如何调控靶基因的表达，研究人员通过染色质免疫沉淀测序((ChIP–seq)分析了其在s678突变体和过表达HA标记的SMXL6 (SMXL6-HA)转基因植株中的结合谱，该转基因系挽救了s678的表型和基因表达谱。这两个组中共有1079个峰，与基因间(24.3%)和基因内(16.4%)区域相比，这些峰在3000个启动子(59.3%)中高度富集(图4a，b)。在SMXL6-HA两次重复靶向的729个基因中，有28个是GR244DO反应基因，与非特异性结合相比，导致了大约3.22倍的富集。SMXL6-HA可以结合SMXL6、7、8和BRC1的启动子区域，但在TCP1、PAP1、PAP2、MYB113或MYB114中没有发现SMXL6结合信号(图4c)。此外，由SMXL6、7、8和BRC1启动子驱动的荧光素酶报告基因的转录受到SMXL6的抑制，EAR基序的缺失或GR244DO处理实质上释放了这种转录抑制(图4d)，表明SMXL6的转录调控是由独脚金内酯控制的。
在独脚金内酯生物合成和信号转导突变体的非伸长芽中，SMXL6、7、8的表达显著减少，表明其经历了负反馈调节。SMXL的同源物HSP101可以与特定的信使RNAs结合，这一发现促使研究人员研究SMXL是否具有潜在的DNA结合活性。令人惊讶的是，研究人员发现SMXL6和SMXL7可以直接与SMXL6、7、8的启动子结合，而SMXL8在体外直接与SMXL7启动子结合，在EMSA分析中，移位的条带对SMXL7启动子显示了更强的信号(图4e)。SMXL6可以直接与SMXL7启动子的P7-3和P7-3-3片段结合，这些片段中的ATAA到TATT或CAA到GTT的突变完全阻断了相互作用(图4f)。值得注意的是，SMXL6与SMXL7启动子的ATAACAA基序的结合具有功能，该信号的突变极大地干扰了SMXL6在体内的转录抑制活性(图4g)，表明ATAACAA基序对于SMXL6直接结合和抑制SMXL7是必不可少的。与这一结果一致的是，与拟南芥基因组中所有基因的1kb启动子相比，ATAACAA在GR244DO反应基因的ChIP–seq峰附近的1kb和100bp侧翼序列分别富集了1.66倍和3.31倍。此外，SMXL6不能直接与BRC1启动子结合(图4e)，表明SMXL6可能与未知的转录因子一起抑制BRC1的表达。综上所述，这些结果表明，SMXL6、7、8蛋白可以直接与DNA结合，负向调节自身的转录，作为自我调节的转录因子，维持SMXL6、7、8的动态平衡，下调独脚金内酯信号。该发现揭示了之前未知的植物激素信号通路的转录调控机制（图5）。
结论
本研究使用人工合成的独脚金内酯在拟南芥中鉴定了401个独脚金内酯响应基因，结果表明这些植物激素主要通过转录BCR1、TCP1和PAPs基因来调节枝条分枝、叶片形状和花青素的积累。研究人员发现SMXL6靶向结合拟南芥基因组中的729个基因，并通过直接与它们的启动子结合来抑制SMXL6、SMXL7和SMXL8的转录，表明SMXL6作为一个自我调节的转录因子来维持独脚金内酯信号的动态平衡。这些发现揭示了一种新颖的机制，通过这种机制，激素信号的转录抑制因子可以直接识别DNA并调节高等植物中的转录。
评论
独脚金内酯是一种新型植物激素，在植物株型建成中发挥关键作用，调控植物的生长发育以及对干旱、低磷、低氮等逆境的适应能力，对农作物改良增产具有重要价值。但是该激素也会刺激寄生杂草种子的萌发，造成农作物的严重减产。因此对独脚金内酯信号途径的研究具有重要的科学意义和应用价值。然而目前仅有少量独脚金内酯早期响应基因得到鉴定，远不足以解释独脚金内酯在植物生长发育多个方面的重要调控作用；独脚金内酯的人工合成类似物rac-GR24能激活独脚金内酯和karrikin两条信号途径，导致已鉴定的响应基因不一定位于独脚金内酯信号途径中。该研究工作是独脚金内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。研究揭示了独脚金内酯信号通路中的转录调控网络，对全面解析独脚金内酯调控植物生长发育以及环境适应的分子机制、揭示植物与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。
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