背景
独脚金内酯是一种新型植物激素,通过抑制侧芽的生长在株型建成中发挥关键作用,同时调控株高、光形态建成、叶片形状、花青素积累、根系形态等诸多生长发育过程以及植物对干旱、低磷等环境胁迫的适应。此外,独脚金内酯作为根际信号促进寄主植物与丛枝菌根真菌的共生,有助于植物吸收水分和营养,但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。
结果
鉴定松果内酯反应基因
为了鉴定对拟南芥中内酰胺基内酯有特殊反应的基因,我们比较了rac-GR24与合成GR245DS,GR244DO和GR24ent-4DO的作用。 我们发现GR244DO可以触发绿色荧光蛋白标记的SMXL6的降解,但对映体GR24ent-4DO几乎没有作用。我们发现GR244DO以D14依赖性方式比GR245DS更高的效率促进了SMXL6、7、8和BRC1的表达,这表明GR244DO通过D14特异性地诱导转录反应,并且是实验性刺激松果内酯信号的理想化学物质。
图1:GR244DO有效刺激雌激素内酯信号
内酯 BRC1和芽分支
长链内酯缺乏生物合成缺陷的突变体max3-9中,未伸长腋芽的内源ABA水平降低,但在s678植株中升高,并且brc1-6可以抑制这种升高,表明千丝内酯通过转录诱导提高芽中ABA的水平。结果表明,SMXL6的EAR基序对于腋生芽中松果酸内酯激活的BRC1表达是必不可少的,这可促进ABA的积累并抑制芽的生长。芽生长素运输系统在甲壳内酯调节的芽分支中也可能很重要,可能与EAR无关。因此,SMXL6、7和8通过BRC1的转录抑制和生长素转运的非转录调节来促进枝条分支。
内酯 TCP1和叶的形状
内酯以EAR依赖性方式通过SMXL6促进叶片伸长。我们发现,GR244DO处理后,以D14依赖性方式诱导了调节叶片发育32的TCP1的表达。形成的tcp1-1空突变体的叶子与野生型相似,但它大大降低了s678背景中的叶长与宽之比,表明SMXL6,7,8通过抑制TCP1表达来部分抑制叶片伸长。因此,TCP1对内酯基内酯信号传导中的叶形调节做出了重要贡献。
图2:BRC1和TCP1分别调节松香内酯信号传导中的枝条和叶形
内酯 PAPs和花青素合成
通过PAP1-D突变完全抑制了在max3-9突变体中见到的花青素积累受损,这导致PAP1组成型过表达和花青素33过度积累。更重要的是,s678突变体中的花色苷积累被pap2-1 null突变部分挽救,并且可以被pap1-2 null突变或pap1-2 pap2-1 双突变完全挽救,这表明PAP1和PAP2在下游起作用。 SMXL6、7、8可通过顺丁烯内酯促进的花色苷生物合成。在pap1-D突变体中,GR244DO处理后DFR表达的诱导被破坏,表明PAP1在内酯诱导的DFR表达中起重要作用。这些结果表明内酯诱导PAP1,PAP2,MYB113和MYB114的表达,并因此激活DFR,ANS和TT7的转录,从而提高花色苷的丰度。
图3:松香内酯通过诱导PAP1和花青素生物合成基因的转录来促进花青素的积累
SMXL6、7、8作为转录因子
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中未发现SMXL6-结合信号。SMXL6和SMXL7可以直接与SMXL6、7、8的启动子结合,并且SMXL8在体外直接与SMXL7的启动子结合,移位后的条带显示出SMXL7启动子在电泳迁移率迁移中的信号更强(EMSA)。此外,SMXL6不能直接与EMSA中的BRC1启动子结合,这表明SMXL6可能与未知的转录因子一起抑制BRC1的表达。总之,这些结果表明SMXL6、7、8蛋白可以直接结合DNA并对其自身的转录产生负调控,并作为自动调节的转录因子发挥功能,以维持SMXL6、7、8的稳态并下调内酯信号传导。
图4:SMXL6直接与SMXL7启动子结合
结论
我们展示了一种自动调节内酯基内酯信号的模型。SMXL6直接与SMXL6、7、8的启动子结合,并负面调节其转录;松果内酯通过泛素化蛋白水解系统触发SMXL6–D14–MAX2复合物的形成和SMXL6的降解,从而释放SMXL6、7、8的转录抑制作用,并形成负反馈环,这是严格调节SMXL6、7所必需。同时,SMXL6还可以与TPL / TPR蛋白一起起转录阻遏物的作用,主要通过分别抑制BRC1,TCP1和PAP1的转录来调节枝条的分支,叶片的伸长和花色苷的生物合成。这些发现显示了仲内酯信号传导中转录调控的全景。
参考文献
文章链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2382-x