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《昆明植物所在植物激素茉莉酸和乙烯调控植保素的分子机制研究中取得新进展》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2023-11-10

  •     东莨菪素(scopoletin)和其糖基化的东莨菪苷(scopolin)是植物生物合成的重要香豆素类化合物。已有的研究表明它们在镇痛、抗炎、降血压、抗肿瘤、防治高尿酸血症等方面具有明显的药理活性。最近的研究还显示，它可以改善多巴胺能神经元的存活状况，从而促进帕金森病人运动能力的恢复；它还是一种天然有效的乙酰胆碱酯酶抑制剂，可以促进乙酰胆碱的释放，提高老年性痴呆症患者的学习和记忆能力。有意思的是，中国科学院昆明植物研究所资源植物与生物技术重点实验室近来的工作证明它们其实是烟草属植物抵御链格孢菌的重要植保素（Sun et al., 2014 Journal of Experimental Botany）。

      链格孢菌（Alternaria alternata）是一种营腐生生活的病原真菌，它的不同病理小种可以侵染马铃薯、苹果、烟草、玉米、梨等很多的农作物，造成极大的经济损失。其中，链格孢菌感染导致的赤星病是烟草属植物最主要的真菌性病害。中国科学院昆明植物研究所植物次生代谢分子调控专题研究组在前期发现：scopoletin和scopolin是植物抵御病原菌的重要植保素，而且茉莉酸和乙烯这两种植物激素是它们生物合成所必须的信号（Sun et al., 2014 Journal of Experimental Botany; Sun et al., 2017 Plant Pathology）。但是，目前这两个激素信号是如何一起调控它们生物合成的分子机制仍然不清楚。该研究组通过多年的努力，首次发现了茉莉酸和乙烯信号通过协同的方式调控了scopoletin和scopolin生物合成的现象，并发现了介导这种协同调控机制的关键转录因子NaWRKY70。

        载RNA修饰专题：RNA修饰隐藏的神秘调控>>领 取  研究发现，在茉莉酸甲酯（MeJA）和乙烯利（ethephon）共同作用下，这两种植保素的积累水平及其关键酶基因feruloyl-CoA 6’-hydroxylase 1（NaF6’H1）的转录水平会急剧高水平的被诱导，而单独MeJA或者ethephon处理一点也不能诱导它们的积累，表明茉莉酸和乙烯通过协同方式调控scopoletin和scopolin的合成。进一步通过转录组测序和病毒介导的基因沉默技术（VIGS）筛选到一个WRKY类的转录因子NaWRKY70，其表达模式与NaF6’H1相似，受链格孢菌诱导，以及茉莉酸和乙烯的协同诱导。通过对NaWRKY70基因沉默、基因编辑和过表达的稳定转化植株的分析，进一步证明NaWRKY70是茉莉酸和乙烯信号协同调控scopoletin和scopolin合成的关键因子。凝胶阻滞实验（EMSA）、染色质免疫共沉淀（ChIP-qPCR）和启动子激活实验（Dual-LUC）表明，NaWRKY70通过直接与NaF6’H1启动子区的W-box结构域结合并激活其表达进而调控scopoletin和scopolin的合成。此外，乙烯信号途径的关键调控因子NaEIN3-like1能够直接与NaWRKY70启动子结合并激活其表达。同时，JA信号途径重要因子NaMYC2s也间接调控NaWRKY70和NaF6’H1的表达，从而控制scopoletin和scopolin的合成。

      该文章发现并提供了两种不同的植物激素通过协同的方式调控了植物“化学的防御”的典型案例，揭示了NaWRKY70整合茉莉酸和乙烯信号调控scopoletin和scopolin的分子机制。研究结果丰富了植物激素协同调控植保素的理论认识，有助于我们更深入了解植物抵抗链格孢菌的分子机制，而且为scopoletin和scopolin的“工业提取”提供了思路。

      以上研究成果以Synergistic induction of phytoalexins in Nicotiana attenuata by JA and ethylene signaling mediated by NaWRKY70为题于10月23日在植物学著名期刊Journal of Experimental Botany上在线发表，中国科学院昆明植物研究所宋娜博士后为该文章第一作者，吴劲松研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（32370311）和云南省海外高层次人才计划的资助。

  • 原文来源：https://www.ebiotrade.com/newsf/2023-10/20231028065809065.htm
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相关报告

  • 《分子植物卓越中心揭示植物激素茉莉酸跨膜转运分子机制?》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-11-07
    •      11月4日，《自然-植物》（Nature Plants）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组完成的题为Cryo-EM structure and molecular mechanism of the jasmonic acid transporter ABCG16的研究论文。该研究揭示了ABC（ATP-binding cassette）家族转运蛋白ABCG16特异识别和跨膜转运植物激素茉莉酸的分子机制。     作为植物激素，茉莉酸在植物对生物及非生物胁迫的防御反应中发挥作用，参与调节植物的生长发育。茉莉酸合成起始于植物叶绿体，在过氧化物酶体、液泡等细胞器中完成合成、修饰与代谢，进而被运输到细胞核以发挥生理作用。而跨膜转运蛋白在茉莉酸及前体和衍生物的跨膜运输过程中发挥作用。在拟南芥中，ABCG16/JAT1是质膜及核膜定位的ABC家族转运蛋白。有研究发现AtABCG16可以介导茉莉酸的跨膜转运，亦有研究显示AtABCG16可以参与脱落酸的跨膜转运。然而，关于茉莉酸在跨膜运输过程中如何被转运蛋白特异识别及转运的分子过程尚不明晰。     该研究利用非洲爪蟾卵母细胞转运体系检测发现，AtABCG16可以介导茉莉酸的外向转运，但不转运脱落酸。通过异源表达、纯化蛋白并结合不同的ATP类似物，研究在体外重构了AtABCG16跨膜转运过程的不同状态，并利用单颗粒冷冻电镜技术解析了AtABCG16处于不同构象状态的三维结构，包括朝向细胞内的apo构象、结合底物茉莉酸的构象、封闭构象及朝向细胞外的后转运构象。     三维结构分析揭示了AtABCG16的同源二聚体结构、茉莉酸的结合位点以及决定底物特异性结合的关键氨基酸。同时，研究利用非洲爪蟾卵母细胞转运体系和拟南芥胁迫处理实验证实了氨基酸在茉莉酸结合与转运中的作用。进一步，研究分析发现了AtABCG16的底物结合口袋无法容纳脱落酸的结合，进而明晰了AtABCG16无法介导脱落酸转运的原因。 该研究通过比较AtABCG16的不同构象发现，AtABCG16在胞质侧具有两个独立的底物入口，分别通往各自的底物结合口袋，并与二聚体组成的跨膜转运通道相连。同时，两个芳香族氨基酸Y494与F608位于底物入口和跨膜转运通道中，分别控制二者的开闭。这一结构特征决定了AtABCG16转运蛋白的跨膜转运机制与已知的ABC转运蛋白不同。基于结构和生化分析，研究提出了AtABCG16介导的茉莉酸跨膜转运的工作模型。 该研究揭示了AtABCG16特异识别并跨膜转运茉莉酸的分子机理，解释了AtABCG16在转运底物上的争议，并丰富了ABC转运蛋白的跨膜转运机制。     研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。
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  • 《昆明植物所在附生植物的景天酸代谢多组学研究中取得新进展》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-25
    • 附生植物是热带、亚热带森林生态系统的重要组成部分，对其生物多样性和服务功能的形成与维持、特别是养分贮存和水分保持有重要作用。附生植物中存在C3和景天酸代谢（crassulacean acid metabolism，CAM）等光合类型，其中CAM也是植物高效利用水分的一种策略。兰科是种子植物中物种多样性和生态适应性最为丰富的类群之一，该科70%左右的物种为附生植物，其中附生型CAM植物占所有已知CAM植物的60%左右。在生理上，CAM植物通常表现为夜间气孔打开、固定二氧化碳（CO2），白天气孔关闭、在细胞内释放CO2，从而最大限度的减少蒸腾作用，维持植物水分含量。然而，我们对附生植物CAM光合作用的遗传和分子基础以及不同分子层级间协同调控机制的理解仍存在很大程度的未知。   2月21日，中国科学院昆明植物研究所种质资源库李德铢、朱安丹和杨俊波等团队合作在Plant Communications期刊上发表题为High-quality Cymbidium mannii genome and multifaceted regulation of crassulacean acid metabolism in epiphytes的研究论文。该研究通过解析兰科附生型CAM植物硬叶兰（Cymbidium mannii）的高质量基因组，结合高分辨率的转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，对附生植物CAM光合作用的遗传与分子调控机理进行了解析。   研究人员获得了硬叶兰高质量的基因组（contig N50为22.7 Mb），基因组大小为2.88 Gb（图1），其中82.8%为重复序列，这也是硬叶兰基因组较大的主要原因。重复序列中转座元件（TE）占比较大，其插入时间也与兰属物种的分化时间一致（图2），因此推测TE的爆发可能与兰属物种的快速分化有关。       研究表明，硬叶兰中很多代谢物呈现昼夜节律性振荡的变化模式，特别是CAM相关的代谢产物，如苹果酸、延胡索酸、丙酮酸等，呈现出与C3植物不同的昼夜特征，反映了附生CAM植物代谢物积累的昼夜节律性（图3）。        通过全基因组水平、昼夜多时间点的转录组和蛋白组分析发现，硬叶兰的昼夜节律性产物存在相位偏移（phase shift）的现象（图4），表明其光合代谢类型受到多层次的分子调控。CAM核心基因的表达及转录后调控分析不仅确定了固定碳源的重要候选基因（βCA和PPC），也表明了附生型的硬叶兰与地生型景天科植物伽蓝菜、白景天等类似，利用NADP-ME和PPDK途径进行脱羧反应（图5）。        由于生物钟相关基因和顺式调控元件在调节CAM通路中起着至关重要的作用，该研究还探讨了关键的生物钟基因表达模式并预测了可能的调控元件（图6），为后续更深入的功能验证奠定了基础。        中国科学院昆明植物研究所樊维姝博士和贺正山博士为共同第一作者，李德铢研究员、朱安丹研究员和杨俊波正高级工程师为共同通讯作者。昆明植物所张石宝研究员、种质资源库、种质保藏中心和分子生物学实验中心等也参与了本项目。该项目得到了中国科学院B类先导专项（XDB31000000）、云南省创新团队（202105AE160012）和国家科技基础资源调查专项（2021FY100200）等项目的资助。
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