孔英珍课题组在植物细胞壁果胶多糖合成调控机制方面取得重要进展

时间:2022-01-19 19:49:04

  近日,青岛农业大学农学院孔英珍课题组与中国科学院青岛生物能源与过程研究所合作在The Plant Cell(中科院1区TOP期刊,IF:11.277)发表了题为A DE1 BINDING FACTOR 1–GLABRA2 module regulates rhamnogalacturonan I biosynthesis in Arabidopsis seed coat mucilage的研究论文,The Plant Cell同期发表了题为Seed coat in the act: a mechanistic insight of the transcriptional regulation of seed mucilage biosynthesis的评论文章,强调了该研究工作对本领域发展的重要性。青岛农业大学农学院为第一通讯单位。

  果胶质多糖是植物细胞壁的重要组分,不仅在植物生长发育、信号传导和防御反应等生理过程中发挥着重要作用,也与植物的生物量和纤维生物质的酶解转化效率密切相关。由于果胶的组成与结构极为复杂,且长期以来缺乏理想的研究体系,使得果胶代谢调控方面的研究进展较为缓慢。目前虽已鉴定出多个参与果胶合成的关键基因,但有关果胶合成的转录调控机制仍不清楚。

  MUM4与本课题组前期发现的GATL5是已知的参与果胶质合成的基因,有研究表明MUM4与GATL5的表达受到多个转录因子的调控,包括Homeobox转录因子GL2与WRKY转录因子TTG2等(Usadel et al., 2004; Western et al., 2004; Kong et al., 2013)。但这些转录因子与果胶合成基因之间是否存在直接的转录调控关系,还尚待解析。

  该研究发现Trihelix家族转录因子DF1的缺失突变导致果胶质多糖RG-I合成显著减少。蛋白互作分析表明DF1与GL2互作。df1 gl2双突变体呈现比单突变体更剧烈的RG-I合成缺陷表型。基因表达分析发现DF1与GL2共同调控果MUM4与GATL5的表达。ChIP、EMSA、Y1H等实验表明,DF1直接结合MUM4启动子中的GT3 box元件,GL2直接结合MUM4与GATL5启动子中的L1 box元件。通过一系列转录调控分析以及突变体背景的ChIP分析,解析了DF1与GL2共同调控MUM4与GATL5表达的分子机制:DF1与MUM4启动子中GT3 box的结合依赖于GL2与L1 box的结合,且DF1对GL2的转录激活活性有促进作用;类似地,虽然GATL5启动子中不存在DF1的结合位点,但DF1通过与GL2互作结合GATL5启动子,并增强GL2对GATL5的转录激活。

  此外,该研究还发现DF1与GL2的表达均受到TTG2的直接调控,TTG2通过结合DF1与GL2启动子中的W box元件从而抑制DF1的表达,激活GL2的表达。有趣的是,DF1亦能直接抑制TTG2的表达。因此,在转录水平上DF1与TTG2之间存在一个负反馈环。

  该研究系统深入地解析了果胶质多糖RG-I合成的精细调控机制,并进一步构建了RG-I合成的转录调控网络,为今后植物果胶质多糖的定向调控奠定了重要的理论基础。

  青岛农业大学孔英珍教授为论文的第一通讯作者,中国科学院青岛生物能源与过程研究所徐艳副研究员为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省能源研究院创新基金、山东省“一流草地学科计划”等项目资助。

  原文链接:https://doi.org/10.1093/plcell/koac011

  参考文献:

  Kong Y, Zhou G, Abdeen AA, Schafhauser J, Richardson B, Atmodjo MA, Jung J, Wicker L, Mohnen D, Western T, et al. (2013) GALACTURONOSYLTRANSFERASE-LIKE5 is involved in the production of Arabidopsis seed coat mucilage. Plant Physiol 163: 1203-1217

  Usadel B, Kuschinsky AM, Rosso MG, Eckermann N, Pauly M (2004) RHM2 is involved in mucilage pectin synthesis and is required for the development of the seed coat in Arabidopsis. Plant Physiol 134: 286-295

  Western TL, Young DS, Dean GH, Tan WL, Samuels AL, Haughn GW (2004) MUCILAGE-MODIFIED4 encodes a putative pectin biosynthetic enzyme developmentally regulated by APETALA2, TRANSPARENT TESTA GLABRA1, and GLABRA2 in the Arabidopsis seed coat. Plant Physiol 134: 296-306

编辑:李冉    阅读:0