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向凤宁教授团队揭示UV-B依赖型E3连接酶GmILPA1介导赤霉素代谢调控大豆株高的新机制
作者:孙家旗   时间:2023-10-08  

2023年10月7日,3344体育主页登录、植物发育与环境适应生物学教育部重点实验室向凤宁教授团队揭示UV-B依赖型E3连接酶GmILPA1介导赤霉素代谢调控大豆株高的新机制,在大豆株高调控机制及耐密植新种质创制上取得重要进展,对深入理解大豆对UV-B辐射适应性生长机制提供了新线索。相关研究成果以“UV-B irradiation-activated E3 ligase GmILPA1 modulates gibberellin catabolism to increase plant height in soybean” 为题发表于Nature Communications上,该文章以3344体育主页登录为第一作者和第一通讯作者单位,博士生孙家旗为论文第一作者,向凤宁教授为末位通讯作者。广州大学孔凡江教授和刘宝辉教授及中国科学院东北地理与农业生态研究所冯献忠研究员为共同通讯作者。

目前,我国对大豆的需求量急速攀升,供需矛盾日益突出,提高大豆产量成为保障国家粮食安全的迫切需求。密植可提高大豆单产和有效利用种植面积,因此耐密植品种培育至关重要。株高是影响产量的关键农艺性状,半矮秆品种可提高种植密度和抗倒伏能力以增加大豆产量。株高受植物激素赤霉素(GA)和紫外线b(UV-B)辐射的双重调控。UV-B是降低作物株高和产量的胁迫因子之一。目前,UV-B如何介导GA代谢相关基因翻译后修饰来调节植物高度尚不清楚。

泛素-蛋白酶体系统是真核生物中蛋白质选择性降解的主要途径,在植物生长发育过程中发挥着关键作用。已知E3泛素连接酶COP1介导UV-B信号传导调控植物生长。然而,有关E3泛素连接酶后期促进复合体/环体(APC/C)如何响应外界环境信号(如UV-B辐射)调控植物生长的研究尚未见报道。

该研究筛选了一个UV-B依赖型大豆矮化突变体Gmilpa1,其在温室或白光下生长株高与野生型相近,在田间及白光附加UV-B照射下生长株高较野生型低。利用图位克隆与BSA-seq结合的方法分离了调控株高的目标基因—APC/C E3泛素连接酶复合体亚基APC8蛋白基因GmILPA1。发现该蛋白受UV-B诱导积累,分别与GmGA2ox-like(赤霉素2-氧化酶)和GmUBL1(RING/U-box类E3泛素连接酶)互作,且GmGA2ox-like和GmUBL1亦存在相互作用关系。泛素化降解实验证明,GmGA2ox-like作为GmILPA1和GmUBL1的底物在第394位赖氨酸上被泛素化修饰,并在UV-B照射下被GmILPA1介导的26S蛋白酶体降解,而GmUBL1可增强UV-B依赖的GmILPA1对GmGA2ox-like的靶向降解,使其对活性赤霉素GAs(如GA1和GA4)的氧化能力降低,从而降低了非活性赤霉素(GA8和GA34)含量,暗示GmILPA1-GmGA2ox-like互作抵消了UV-B介导的活性GAs的减少,减轻了UV-B诱导的生长抑制,来维持植物正常生长。外施GA可恢复Gmilpa1在UV-B照射下的矮化表型,证明了Gmilpa1在UV-B照射下的矮化是由于GA含量降低引起的。进一步遗传分析发现,在Gmilpa1背景下降低GmGA2ox-like表达亦可恢复UV-B照射下Gmilpa1的矮化表型,证明了二者的遗传学关系。综上,GmILPA1在UV-B照射下通过提高活性GA含量来维持大豆植株正常生长。

Gmilpa1受UV-B诱导矮化,白光下与对照株高相近,白光附加UV-B下株高变矮,GA恢复其在UV-B下的矮化表型

对来自野大豆、农家种和栽培种中的444份大豆材料进行的GmILPA1单倍型分析发现,GmILPA1是大豆驯化育种过程中的选择靶点,其单倍型 1、2、5和6(Hap1/2/6/5)在育种过程中被人工选择。其中,Hap1/2/6植株高于Hap5,其主要分布于UV-B强度较低的南方地区,Hap5主要分布在UV-B强度较高的东北地区,Hap1/2/6的启动子区含有一个光响应元件,可响应UV-B对GmILPA1在转录及翻译水平上的诱导表达,而Hap5的启动子区该元件缺失了13bp,响应丧失,推测该响应元件缺失的Indel决定了大豆对UV-B响应水平而引起不同单倍型株高差异,如,Hap5启动子区该响应元件缺失导致植株对UV-B不响应,提高了其对UV-B的耐受性,使其适于在UV-B强度较高的东北地区生长,这是大豆自身抗UV-B辐射的一种保护机制。Hap5变异可用于培育半矮化和耐UV-B辐射的大豆新品种。

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GmILPA1不同单倍型的地理分布(a)及GmILPA1介导UV-B调控大豆株高分子模型(b)

综上,该研究发掘了一个UV-B调控大豆株高的关键模块GmILPA1- GmUBL1-GmGA2ox-like,该模块通过对UV-B依赖的GmGA2ox-like的泛素化降解,来抑制活性GA含量的降低,从而提高了大豆对UV-B的耐受性,维持了大豆正常生长。该发现为深入了解植物适应UV-B胁迫的分子机制提供了理论参考,为进一步解析调控大豆株高的分子机制提供了借鉴,为选育适应强紫外线辐射的农作物新品种提供了理论基础。

3344体育主页登录博士研究生孙家旗为该论文第一作者。3344体育主页登录向凤宁教授与合作者广州大学孔凡江教授和刘宝辉教授及中国科学院东北地理与农业生态研究所冯献忠研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了“十四五”国家重点研发计划(2021YFF1001201)、山东-国家基金委联合基金(U1906203)及山东省重点研发计划(2021LZGC003)项目资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41824-3

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