植物分子生物学研究组 |

Plant Molecular Biology

版纳植物园揭示WRKY蛋白通过赤霉素途径调控植物衰老进程

星期一 8月 7, 2017

近日,版纳植物园余迪求团队在Molecular Plant在线发表了题为Arabidopsis WRKY45 interacts with the DELLA protein RGL1 to positively regulate age-triggered leaf senescence的研究论文。该研究通过植物分子生物学、遗传学及生物化学等方法揭示了WRKY蛋白可以通过赤霉素途径调控植物衰老进程,为深入理解植物衰老进程提供了一定的理论基础。

  衰老是一个受内外因素共同调控的复杂生物学过程,是包括植物在内的大多数生物体在发育过程中必然经历的一个阶段。植物一旦衰老,其光合能力将显著下降,从而导致作物产量下降,因此研究植物衰老的机理并寻求抗衰老措施在农业生产上具有重要意义。目前,虽然对植物衰老的研究已经取得了一定的进展,但有关植物衰老的分子生物学机制及其信号转导网络仍有待进一步研究。

  版纳植物园植物分子生物学组研究发现拟南芥WRKY45是一个衰老相关基因,在衰老叶片中强烈表达。表型分析发现,WRKY45突变能延缓植物衰老进程,而其过表达则显著促进植物衰老进程。基因表达和染色质免疫共沉淀分析表明,WRKY45通过直接调控一系列衰老相关基因的表达来调控植物衰老过程。进一步研究发现WRKY45能与RGL1蛋白在细胞核内相互作用形成复合物。RGL1是赤霉素信号转导途径中的转录抑制蛋白。通过表型分析发现RGL1过表达能显著延缓植物衰老,而赤霉素信号转导途径中的转录抑制蛋白五突变体della则表现出衰老加速的表型。通过外源喷施GA可以显著促进植物衰老进程,而赤霉素合成突变体ga1和赤霉素受体三突变体gid1agid1bgid1c则表现出明显衰老延缓的表型。通过遗传杂交实验证实WRKY45过表达植物中提前衰老的表型可以部分地被RGL1过表达所推迟,同时通过体外实验和染色质免疫共沉淀分析表明RGL1可以抑制WRKY45对下游靶基因的直接调控。该研究解析了WRKY45在植物衰老进程中的重要功能,进一步阐述了赤霉素途径在植物衰老进程中的作用,证实WRKY45可能作为赤霉素途径和年龄途径中的重要组分而参与调控植物衰老进程。
陈利钢副研究员为该论文第一作者,余迪求研究员为该论文通讯作者。该篇论文在2017年8月3日被“植物科学最前沿”报导。


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版纳植物园揭示OsPRI1正调控水稻铁稳态的机制

星期一 8月 7, 2017

近日,版纳植物园余迪求研究团队与梁岗研究团队联合在Plant Physiology上发表了题为“POSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS 1 (OsPRI1) positively regulates iron homeostasis in rice”的研究论文。该研究通过植物分子生物学、遗传学及生物化学等方法鉴定了水稻OsHRZ1蛋白的一个泛素化底物OsPRI1,并进一步证实OsPRI1直接调控水稻的两个关键的缺铁响应因子OsIRO2和OsIRO3,这为后续开展培育富铁稻米品种提供了一定的理论基础。
 铁是细胞正常生命活动所必需的矿质元素,缺铁直接影响农作物的产量和品质,同时也是引发人类缺铁性贫血的原因。稻米是全球近一半人口的主食,增加稻米的含铁量是改善人类健康状况的一个有效途径。鉴于此,研究水稻的缺铁响应以及水稻适应缺铁环境的分子机制可以为分子育种培育耐受缺铁土壤和富铁水稻品种提供理论基础。OsHRZ1是一个负调控水稻铁稳态的蛋白,它不仅可以结合铁离子,而且具有泛素化功能,因此被认为是水稻的铁感应蛋白。但是OsHRZ1调控水稻铁稳态的分子机制还不清楚。酵母双杂交实验筛选到OsHRZ1的一个互作蛋白OsPRI1,该蛋白的功能缺失导致水稻表现出强烈的缺铁症状,如叶片铁含量减少,根变短,植株黄化等。表达分析表明OsPRI1正调控许多缺铁响应基因的表达,如OsNAS1,OsNAS2,OsIRT1,OsYSL15,OsIRO2和OsIRO3等。酵母单杂和EMSA实验证实,OsPRI1直接调控OsIRO2和OsIRO3的表达。进一步实验表明OsPRI1蛋白受泛素化途径降解,而OsPRI1的降解在hrz1突变体里受到了严重的抑制。生化实验表明HRZ1可以与PRI1蛋白互作并泛素化后者。hrz1突变体表现出缺铁耐受表型,而pri1 hrz1的双突变则表现出较强的缺铁敏感表型,这表明OsPRI1在OsHRZ1下游起作用。这些研究结果证实OsPRI1是连接铁感应蛋白HRZ1和下游缺铁响应基因IRO2和IRO3的一个关键节点。

博士研究生张会敏为该文的第一作者,梁岗副研究员和余迪求研究员为该文的共同通讯作者。


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OsSAPK2 赋予水稻ABA敏感性和抗干旱能力

星期二 6月 27, 2017

水稻是世界范围广泛栽培的重要农作物,世界上近一半人口,都以水稻为食。因此,如何提高水稻产量以及提高水稻植株抗逆能力是水稻研究面临的主要问题。近来研究表明, SnRK2在植物响应渗透逆境和ABA胁迫时发挥着重要的作用。水稻基因组中有10个SnRK2成员,依次命名为SAPK1~SAPK10。研究表明OsSAPK2很可能在依赖ABA的非生物胁迫和水稻植株生长调节方面发挥着重要作用。但是OsSAPK2的相关功能研究至今未见报道。

  版纳植物园植物分子生物学研究组的余迪求研究员领导的团队利用CRISPR/Cas9技术成功构建了2个独立的sapk2突变株系。表达模式分析显示OsSAPK2的表达受到干旱,NaCl,PEG的强烈诱导,但不受ABA诱导。萌发实验和萌发后生长实验证实2个独立的sapk2突变株系均表现出在种子萌发和早期幼苗生长阶段对ABA不敏感。干旱实验分析表明2个独立的sapk2突变株系均表现出干旱敏感表型,进一步实验证实SAPK2主要通过2个方面来调节干旱耐受性:一是通过增加与干旱胁迫相关的可溶性物质含量,促进气孔关闭,促进与干旱胁迫相关基因的表达来增强水稻植株的保水能力来提高抗旱能力;二是通过促进与ROS清除相关的酶基因的表达,大量积累与ROS清除相关的酶和物质来减少水稻植株在干旱胁迫下的氧化伤害。我们的研究结果为种子萌发、非生物胁迫等信号调控网络研究及农业生产中培育具有适度休眠性且强抗逆能力的优良水稻品种提供了一定的理论依据。

相关研究以OsSAPK2 Confers Abscisic Acid Sensitivity and Tolerance to Drought Stress in Rice为题在Frontiers in Plant Science上发表。


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拟南芥bHLH基因IVc亚家族正调控铁稳态

星期二 6月 27, 2017

作为许多功能蛋白的重要辅助因子,铁在植物的生长发育过程中起着极其重要的作用。bHLH38/39/100/101是4个调控拟南芥铁稳态的重要基因,但它们在缺铁条件是如何被激活的及其信号通路,在此之前一直不清楚。以bHLH101启动子为诱饵,我们筛选到两个转录因子bHLH34和bHLH104。生物学功能分析表明bHLH34、bHLH104和bHLH105正调控铁稳态相关基因IRT1、FRO2、MYB10、MYB72、bHLH38/39/100/101、FIT和PYE的表达水平。上述研究结果已于2016年发表在Plant Physiology(Li X. et al,2016,170:2478–2493)上发表。

  除了bHLH34、bHLH104和bHLH105,IVc亚家族还包括另外一个基因bHLH115。类似于其他三个基因,bHLH115基因突变也导致植物对缺铁环境非常敏感。为了比较bHLH34/104/105/115这四个基因的功能差异,我们在bhlh115突变体里分别过量表达了这四个基因,结果发现它们任意一个基因过表达均可互补bhlh115突变体的表型,基因表达分析及ChIP实验证实它们都能结合并激活bHLH38/39/100/101和PYE的启动子,表明这四个基因有类似的分子调控功能。除了每个基因的单突变体表现出对缺铁环境敏感外,它们的双突变体或三突变体展示出比单突变体更强的缺铁敏感性,表明它们之间功能的非冗余性。通过比较了它们的时空表达模式,发现这四个基因的表达都不受环境铁浓度的影响,而且它们的组织表达模式均不相同,但彼此之间的组织定位又存在重叠。蛋白互作实验证实它们任意两个蛋白之间均可形成同源或异源二聚体。这些研究结果表明bHLH34/104/105/115即有类似的分子调控功能,又有各自独特的生物学功能,而且它们之间可形成复合物协同调控植物的铁稳态,该研究内容以bHLH transcription factor bHLH115 regulates iron homeostasisin Arabidopsis thaliana为题发表在Journal of Experimental Botany (2017)上。


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WRKY-VQ蛋白复合物调控花粉的发育和活性

星期二 6月 27, 2017

WRKY蛋白是植物特有的转录因子,它们广泛参与调控植物逆境应答反应和生长发育过程。分子机制研究表明,某些WRKY转录因子能与VQ家族蛋白相互作用形成复合物调控某些重要的生理过程。例如,我们前期研究发现WRKY8能与VQ9互作调控植物耐盐胁迫反应(Hu et al., 2013, Plant Journal, 74:730-745);WRKY57与VQ16和VQ23互作调控植物抗真菌Botrytis cinerea的反应(Jiang and Yu, 2016, Plant Physiology, 171: 2771-2782)。然而,WRKY与VQ蛋白在特定组织器官或生理条件下的相互作用关系及其生物学意义还很不清楚。

  版纳植物园植物分子生物学组和植物环境适应性组联合研究发现,拟南芥WRKY34和WRKY2能与VQ20蛋白在细胞核内相互作用形成复合物。VQ20定位于细胞核,并特异性地在花粉中表达。表型分析发现,wrky34 wrky2 vq20三突变体的花粉发育、萌发及花粉管延伸等过程存在一定的缺陷(图1),表明WRKY34、WRKY2和VQ20参与调控花粉的发育和活性。VQ20可能通过影响WRKY34和WRKY2的转录功能从而调控花粉的发育和功能。进一步的基因表达分析表明,WRKY34、WRKY2和V20影响一系列花粉发育或活性相关基因的表达。该研究阐述了WRKY转录因子在植物花粉发育中的重要功能,并进一步解析了WKRY-VQ互作关系在花粉发育方面的调控作用。

  相关研究结果近期以Arabidopsis WRKY2 and WRKY34 transcription factors interact with VQ20 protein to modulate pollen development and function为题在线发表在国际植物学主流SCI学术期刊Plant Journal上。


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拟南芥转录因子bHLH48和bHLH60调控植物开花

星期二 6月 27, 2017

赤霉素作为一种重要的植物激素,参与了植物生长发育的各个阶段。尽管近年来的研究取得了许多进展,赤霉素对植物生长发育的调控仍不十分清楚。DELLA蛋白是赤霉素信号途径中一类重要的抑制因子,它们能通过蛋白质相互作用参与调控植物不同的生命过程。

  版纳植物园植物分子生物学研究组的博士研究生李扬等在余迪求研究员和梁岗副研究员的指导下以DELLA蛋白RGL1为诱饵,通过酵母双杂交系统筛选到相互作用蛋白bHLH48和bHLH60。表型分析发现,bHLH48/bHLH60高表达植株在长日照下提前开花,而双突变植株bhlh48bhlh60-1和bhlh48bhlh60-2则表现出晚花表型,表明bHLH48/bHLH60在长日照下正调控植物开花。分子生物学及生物化学证据表明,bHLH48能结合到成花基因FT的启动子区域,从而直接调控FT基因的表达。进一步研究表明,赤霉素能增强bHLH48对FT的结合活性,而RGL1则抑制bHLH48/bHLH60对FT的激活。该研究证实bHLH48/bHLH60作为赤霉素途径中的正调控因子,调控植物开花。

相关研究结果以Two DELLA-interacting proteins bHLH48 and bHLH60 regulate flowering under long-day conditions in Arabidopsis thaliana为题发表在Journal of Experimental Botany杂志上。


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云南省自然科学奖一等奖

星期四 5月 11, 2017

2017年4月13日,云南省科技奖励大会在昆明海埂会堂举行,余迪求研究员在科技外事处陈吉岳处长的陪同下参加了此次奖励大会。其团队完成的“microRNA调控植物营养代谢和形态建成的分子机制”研究成果获得云南省自然科学奖一等奖。 

其研究成果“microRNA调控植物营养代谢和形态建成的分子机制”以植物遗传学、植物生理学和植物发育生物学为基础,通过分子生物学技术解析了4个miRNA的生物学功能。主要内容如下:(1)miR395通过控制APS和SULTR基因的表达从而精确调控硫酸根的转运和同化;(2)在低N情况下,植物可以上调miR826和miR5090的表达水平,从而抑制AOP2的表达;伴随着AOP2的下降,芥子油苷的合成受到抑制,从而减少对N的消费,最终使得植物表现出更强的低N适应性。(3)miR396通过调控GRF基因的表达,进而影响GRF-GIF复合物的形成,最终控制植物叶和花的发育。该研究成果丰富了植物miRNA的功能多样性,为深入研究miRNA的生物学功能奠定了基础。 


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拟南芥WRKY转录因子WRKY12/WRKY13调控植物开花诱导的分子机理

星期一 1月 23, 2017

WRKY转录因子是植物特有的一类蛋白质,在模式植物拟南芥中一共有74个成员,其主要功能是参与调控植物逆境胁迫反应。目前的研究表明,除了调控植物逆境胁迫外,WRKY转录因子还参与调控植物发育过程;然而,WRKY转录因子是否参与调控植物开花诱导及其信号网络和分子机理?目前还没有相关报道。 

  版纳植物园植物分子生物学研究组的余迪求研究员领导的团队研究发现,拟南芥WRKY12和WRKY13分别正调控和负调控植物在短日照条件下的开花, WRKY12基因突变导致植物开花延迟,而WRKY13基因突变使得植物开花提前。分子生物学及生物化学证据表明,WRKY12及WRKY13能够结合到花诱导信号基因FUL基因的启动子区域,进而直接调控FUL基因的表达。进一步研究表明,植物激素赤霉素(GA)信号途径的关键抑制子DELLA蛋白能有效地与WRKY12和WRKY13相互作用形成蛋白复合物,并影响它们的转录激活功能。该研究证实WRKY12和WRKY13功能通过相互拮抗的方式参与调控赤霉素介导的植物开花诱导。

  相关研究以The Arabidopsis WRKY transcription factors WRKY12 and WRKY13 oppositely regulate flowering under short-day conditions为题在Molecular Plant上发表 。博士研究生李委、王后平为该论文的共同第一作者,余迪求研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(U1202264; 31171183)、中国科学院科学基金(KSCX3-EW-N-07) 、中国科学院135工程项目(XTBG-F04)及云南省“创新研究团队”项目(2014HC017)的资助。


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WRKY57参与调控植物激素茉莉酸信号转导及抗病性的分子机理

星期五 7月 22, 2016

 

 植物激素茉莉酸(Jasmonate)是一类重要的脂类生长调节物质,它们在植物适应环境的过程中发挥着极其重要的调控功能,但茉莉酸调控植物各种生理过程的信号转导机理仍有待深入研究。 

  版纳植物园植物环境适应性研究组与植物分子生物学研究组联合研究发现,WRKY57转录因子负调控拟南芥对真菌型病原菌灰霉菌(Botrytis cinerea)的抵抗。WRKY57基因受B. cinerea的诱导表达,wrky57突变体对该病原菌的抗性明显增强,而WRKY57高表达导致转基因植物对该病原菌非常敏感(图一)。机制研究表明,WRKY57与WRKY33竞争性地和VQ蛋白SIB1和SIB2相互作用,并竞争性地调控茉莉酸激素信号途径关键抑制子JAZ1JAZ5的表达,从而在一定程度上阻断了茉莉酸信号并削弱了WRKY33对B. cinerea的抵抗能力。 

      相关研究结果近期以WRKY57 Regulates JAZ Genes Transcriptionally to Compromise Botrytis cinerea Resistance in Arabidopsis为题在线发表在植物学主流学术期刊Plant Physiology上.


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植物激素赤霉素与光周期途径协同调控开花诱导的信号转导机理

星期五 7月 22, 2016

 

植物激素是植物体内重要的生长调节物质,广泛参与调控植物的生长发育和抗逆境反应。在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,赤霉素激素(Gibberellin,GA)促进植物的开花诱导过程。目前研究表明,GA可与光周期(Photoperiod)信号协同调控植物在长日照条件下的开花诱导;然而,GA和光周期信号在植物开花诱导过程中的相互作用机理仍不清楚。 

  版纳植物园植物分子生物学研究组和植物环境适应性研究组联合研究发现,GA诱导成花素基因FT的表达依赖于光周期信号途径中的关键转录因子CO蛋白。分子生物学及生物化学实验表明,GA途径的抑制子DELLA蛋白能与CO相互作用形成蛋白复合物,并抑制其转录激活功能。进一步遗传学研究表明,DELLA蛋白抑制植物开花诱导部分依赖于CO/FT介导的光周期信号途径。该研究证实GA途径的抑制子DELLA蛋白能直接抑制光周期途径中的关键转录因子CO,从而协同调控植物在长日照条件下的开花诱导过程。 

      相关研究结果近期以The DELLA-CONSTANS transcription factor cascade integrates gibberelic acid and photoperiod signaling to regulate flowering为题在植物学主流期刊Plant Physiology上在线发表.


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