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Nature:赤霉素响应的拮抗调控作用于水稻的节间伸长

已有 4748 次阅读 2020-7-20 10:46 |个人分类:提纲挈领|系统分类:论文交流

Antagonistic regulation of the gibberellic acid response during stem growth in rice

第一作者Keisuke Nagai

第一单位名古屋大学

通讯作者Motoyuki Ashikari


 Abstract 


背景回顾The size of plants is largely determined by growth of the stem. Stem elongation is stimulated by gibberellic acid.


主要研究:Here we show that internode stem elongation in rice is regulated antagonistically by an ‘accelerator’ and a ‘decelerator’ in concert with gibberellic acid.


ACE1:Expression of a gene we name ACCELERATOR OF INTERNODE ELONGATION 1 (ACE1), which encodes a protein of unknown function, confers cells of the intercalary meristematic region with the competence for cell division, leading to internode elongation in the presence of gibberellic acid.


DEC1:By contrast, upregulation of DECELERATOR OF INTERNODE ELONGATION 1 (DEC1), which encodes a zinc-finger transcription factor, suppresses internode elongation, whereas downregulation of DEC1 allows internode elongation.


保守机制:We also show that the mechanism of internode elongation that is mediated by ACE1 and DEC1 is conserved in the Gramineae family.


驯化与适应:Furthermore, an analysis of genetic diversity suggests that mutations in ACE1 and DEC1 have historically contributed to the selection of shorter plants in domesticated populations of rice to increase their resistance to lodging, and of taller plants in wild species of rice for adaptation to growth in deep water.


结论:Our identification of these antagonistic regulatory factors enhances our understanding of the gibberellic acid response as an additional mechanism that regulates internode elongation and environmental fitness, beyond biosynthesis and gibberellic acid signal transduction.


 摘  要 


植株的大小很大程度上是由茎的生长所决定的。而赤霉素GA可以刺激植物茎的伸长。本文中,作者发现水稻节间茎的伸长是由GA的一个“加速剂”和一个“减速剂”拮抗调节的。作者鉴定到了一个编码未知功能的蛋白,命名为节间促进因子ACE1,该蛋白能够赋予居间分生区域细胞以完整细胞分裂的能力,从而在存在GA的情况下可以促进节间的伸长。相反,上调一个锌指转录因子DEC1基因会抑制节间的伸长,而下调DEC1基因会允许节间伸长。作者的研究还发现由ACE1DEC1介导的节间伸长调控在禾本科植物中是一个保守的分子机制。此外,遗传多态性分析显示ACE1DEC1基因上的突变在驯化种水稻历史中被用于选择较短的种群,以增加其抗倒伏性能;而对于野生种而言则是有助于选择更高的种群,以便能够适应于深水区的生长环境。本研究所鉴定的拮抗分子调控机制增强了我们对于赤霉素响应的理解,其可以作为赤霉素合成和信号转导以外的一个附加机制,作用于植物节间伸长和环境适应的调控。


 Background 


茎是植物的主要结构轴,支撑着植物的地上组织器官,比如花和叶。植物茎的伸长通过保证叶片充分暴露在阳光下,最大化光合效率,从而有助于植物更好的适应所处环境并生存下去。在禾本科植物中,茎是由节和节间共同组成的,赤霉素通过促进细胞伸长和分裂来刺激节间的伸长。在水稻和小麦中,育种家们通过减少GA的合成或信号转导,培育出了节间相对更短的半矮化栽培品种,在全球范围内被广泛的种植。相反,在南亚和西非存在一种在深水区的水稻,其节间长度可以根据水深而伸长,从而可以在周期性出现的长时间深水淹没条件下存活。之前的研究显示,深水水稻中GA合成通路上的一个酶GA20OX2的表达会受到深水诱导,并且酶活非常高,从而促进深水水稻的节间伸长。但是,由GA介导的节间伸长需要激活居间分生组织来起始伸长这个过程,而目前有关这个方面的研究还存在较大空白。


 Internode-specific GA response 


浅水处理:在正常灌水深度5cm左右的浅水条件下,深水水稻C9285要比普通水稻T65长得更高(Fig. 1a&b),并且这种高主要是由节间长度差异所导致的(Fig. 1c)。普通水稻T65的节间伸长在营养生长期间一直被抑制,直到向生殖生长转变期间(11-leaf stage)才伸长生长;相反,深水水稻C9285在营养生长期间(6-leaf stage)节间就开始了伸长生长(Fig. 1c)。

深水处理:在120cm水深条件下时,营养生长早期(4-leaf stage)C9285的节间伸长受到增强,而T65中则没有该现象(Fig. 1c)。

内源GA测定接下来,作者研究了浅水和深水条件下,C9285与T65中内源活性GA的含量。结果发现,浅水条件下营养生长期间C9285中活性GA含量并没有显著增加,但是该期间C9285的节间伸长就已经开始了。

外源GA处理:接着,作者进一步研究了C9285与T65的叶片与节间对于外源GA处理的响应。结果发现,这两个品种的水稻第二片叶鞘对于外源GA的响应具有类似的表型,并且该响应依赖于外源GA的剂量(Fig. 1d-f)。然而,这两个品种的节间对于外源GA的响应却有明显差异,T65节间无论在多强的外源GA处理下均不伸长,而C9285的节间伸长则依赖于外源GA的浓度以及处理的时间(Fig. 1d-g)。另外,外源的GA处理并不会增强C9285和T65的节间数量。

外源GA+深水处理:作者进一步研究了GA处理与深水栽培对于C9285和T65的影响,结果发现无论哪一种处理对于C9285的节间伸长均有促进作用,并且二者的组合会进一步增强C9285的节间伸长(Fig. 1h);而T65的节间长度对这两个处理都没有明显的响应。

GA信号抑制因子:作者进一步检测了这两个品种中一个GA信号转导的主要抑制因子SLR1的含量,结果发现尽管这两个品种节间伸长对于外源GA的响应不一样,但是无论是在C9285还是T65中,在GA处理后节间中SLR1均会被SCFGID1系统所降解。

结论:综上,这些结果表明存在某个或某些节间特异性因子,该因子与GA积累协同作用于水稻节间伸长的促进或抑制,并且可能是在营养阶段GA信号转导的下游发挥功能。

Fig. 1: Internode elongation of normal paddy rice and deepwater rice.


 Evaluation of QTLs related to GA response 


QTLs:前人的QTL作图鉴定响应于GA处理节间伸长的数量性状位点,结果鉴定到了5个位点,其中3号染色体和12号染色体上的两个QTLs与之前鉴定的深水条件下起始节间伸长的两个QTLs位点具有重叠区。然而,目前为止并未有人鉴定到节间伸长的起始因子。

近等基因系:作者为了进一步研究这两个QTLs的效应,分析了两个近等基因系NIL3与NIL12对于外源GA处理的响应(近等基因系:指一组遗传背景相同或相近,而某个特定性状或其遗传基础有差异的一组品系。)。这两个近等基因系分别具有T65的遗传背景以及C9285中3号和12号染色体上深水响应的QTL区段。结果显示,在外源的GA处理后,NIL3与NIL12的实生苗在三到四周后出现明显的节间伸长响应,而T65实生苗则没有该响应(Fig. 2a)。

独立作用:作者还发现将这两个QTL聚合到一个株系中,即NIL3+12具有更早、更强的节间伸长响应,说明3号和12号染色体上潜在的调控基因相互之间独立发挥作用。另外,作者进一步研究了这两个QTLs与1号染色体上已鉴定的深水水稻QTL causal gene,即GA合成基因GA20OX2之间的关系,结果发现GA20OX2基因并不能增强GA处理后这两个QTLs的效应,但是会增强深水处理后这两个QTLs的效应。

结论:C9285的3号和12号染色体上编码两个能够响应于GA促进节间伸长的未知因子,并且这两个因子的功能存在加性效应。

Fig. 2: ACE1 initiates internode elongation.


 ACE1 accelerates internode elongation 


图位克隆:作者通过图位克隆的方法鉴定到了3号染色体上QTL的causal gene,其编码一个未知功能蛋白,作者将其命名为节间伸长促进因子ACE1(Fig. 2b)。来自C9285的ACE1基因等位基因同时介导了GA响应和深水处理后的节间伸长。

基因比较:通过比较C9285与T65的ACE1基因,作者发现二者之间存在1bp的插入/删除突变(Fig. 2b)。因此,ACE1C9285ACE1T65肯定只有一个是功能性的。

基因功能验证:为了检测哪一个是功能性的,作者把来自C9285与T65的ACE1基因组片段分别转入了T65基因组中,结果发现转ACE1C9285基因组片段的T65在GA处理后具有节间伸长的响应,但是转ACE1T65基因组片段的T65则没有该表型(Fig. 2c, d)。

转录本功能验证:作者进一步通过5′-RACE的方法分别从C9285和T65分别克隆到了一个长的和一个短的ACE1转录本。来自C9285的、长的ACE1转录本过表达会在外源GA处理后显著促进节间伸长,并且独立于营养生长到生殖生长的转变。而来自C9285的、短的ACE1转录本以及T65的两个ACE1转录本过表达,均不能在外源GA处理后促进节间伸长。

ACE1与节间伸长起始:作者进一步发现GA处理或深水处理均能够诱导ACE1C9285的表达,而ACE1T65的表达水平相对保持在较低水平(Fig. 2f, g)。并且,ACE1C9285主要在正在伸长的节间表达,相比于细胞分裂区,尤其在细胞伸长区高表达。浅水条件下,C9285中的ACE1C9285基因会在6-leaf stage表达量增加,与该时期节间起始伸长的表型相一致(Fig. 2h, i)。在深水条件下,C9285中的ACE1C9285基因的表达与节间伸长均从4-leaf stage就已经开始(Fig. 2h, i)。

结论:只有C9285中长的ACE1转录本具有功能性作用;C9285中的ACE1基因是响应GA起始节间伸长的决定因子。


 ACE1 activates the intercalary meristem 


亚细胞定位:作者分别构建了ACE1T65–GFP和ACE1C9285–GFP研究这两个蛋白的亚细胞定位,结果发现ACE1T65–GFP优先定位于核中,而ACE1C9285–GFP会同时定位于细胞核和胞质中。

组织定位:为了进一步研究ACE1C9285的组织定位,作者通过定制了anti-ACE1C9285抗体进行免疫染色,结果发现在GA处理或深水处理后,ACE1C9285主要定位于正在伸长的节间(Fig. 3a-d)。在10天之后,ACE1C9285主要定位于节点上方约2mm左右的正在伸长的节间的基部位置。

ACE1表达与节间伸长:为了进一步研究ACE1基因在节间伸长中的作用,作者发现单独过表达ACE1C9285基因或是外源GA处理并不能激活节间中细胞分裂相关基因HISTONE H4CDKA1的表达。然而,外源GA处理过表达ACE1C9285植株时,HISTONE H4CDKA1基因的表达被激活(Fig. 3e)。

细胞分裂区:接着,作者通过细胞分裂S期特异性的DNA合成标记EdU可视化细胞分裂的区域,结果用外源GA处理过表达ACE1C9285植株会明显诱导细胞分裂,并形成一个更大的细胞分裂区。

居间分生组织:另外,ACE1C9285过表达植株中细胞分裂区处于节间的基部位置,而该位置恰好也是在前人的研究中被报道为居间分生组织所处的区域。

结论:这些研究结果表明,ACE1C9285通过增强细胞对于GA的响应赋予细胞分裂的能力,从而作用于节间的居间分生组织的激活和维持。

Fig. 3: Regulation of gene expression and functional analysis of ACE1.


 ACE1-LIKE 1 facilitates internode elongation 


ACE1同源基因:作者提取了其它植物中ACE1C9285基因的同源基因序列,通过构建系统发育树发现该基因分布广泛,从苔藓到被子植物均有分布,并且存在3个功能未知的保守基序。其中,拟南芥中的一个ACE1C9285同源基因被报道为成花促进因子FPF1

ACL1基因鉴定:之前的研究中显示T65中的ACE1不具备功能,但是T65仍能够在生殖生长时起始节间伸长,作者推测其基因组上必然存在ACE1的同源基因,从而发挥起始节间伸长起始的功能。在T65水稻基因组上6个ACE1同源基因中,LOC_Os07g47450基因与ACE1基因系统发育关系最近,作者将其命名为ACE1-LIKE1,缩写ACL1(Fig. 3f)。

ACL1基因功能:浅水处理时,T65中ACE1基因的表达量很低,而ACL1基因在7-leaf stage表达上调(Fig. 3g)。在7-leaf stage,T65并没有表现出节间伸长,但外源的GA处理促进了节间伸长(Fig. 3h)。另外,T65中ACL1基因在12-leaf stage的表达量上调,同时节间在没有外源GA处理时也开始伸长(Fig. 3g, h)。T65中ACL1基因的表达模式与生殖生长转变一致。与ACE1C9285过表达植株相似,T65遗传背景下的ACL1过表达植株在3周大以及成熟期的节间长度具有所增加(Fig. 3i-k)。

结论:普通水稻中ACL1基因在营养生长向生殖生长转变期表达,与GA一起共同作用于普通水稻生殖生长期间的节间伸长。


 DEC1 represses internode elongation 


图位克隆:作者通过图位克隆将12号染色体上的QTL缩减到一段68kb的区段,包含4个蛋白编码基因(Fig. 4a)。具有T65这段68kb纯合或T65/C9285杂合的基因型均在GA处理后表现出对于节间伸长的抑制,说明来自T65的等位基因显性抑制节间伸长。

基因鉴定:作者结合基因表达、功能敲除以及过表达试验确定了LOC_Os12g42250是该段候选区域的causal gene,作用于节间伸长的抑制(Fig. 4b-e),作者将其命名为节间伸长减速因子DEC1

DEC1基因在T65与C9285之间的功能差异:尽管T65与C9285的DEC1基因存在插入、删除和替换,但是T65或NIL12中引入dec1的突变均会导致节间伸长的增强(Fig. 4c-e),说明T65与C9285的DEC1基因作用于节间伸长的功能差异更多的是在于基因表达水平,而非蛋白的功能水平。通过GA处理或深水处理能够降低C9285中DEC1基因的表达,而不能降低T65中DEC1基因的表达(Fig. 4b, f),因此这两个水稻品种中DEC1基因的启动子区可能会解释这两个基因的表达差异。在T65中营养生长向生殖生长转变期间,DEC1基因的表达逐渐下降,而花分生组织标记基因OsMADS的表达逐渐增加(Fig. 4g)。另外,浅水条件下时,正在伸长的节间的细胞分裂区可以检测到DEC1基因的表达,而深水条件下,DEC1基因的表达显著下降。相反,深水条件下与细胞分裂相关的标记基因在该区域表达明显增强。

结论:水稻发育成熟或状态转变所释放的信号抑制了DEC1基因的表达,从而促进了节间的伸长。


DEC1蛋白的转录抑制功能DEC1基因编码一个C2H2锌指转录因子,在N和C端包含有LxLxL-type EAR基序,并且DEC1蛋白定位于核中。由于EAR基序被认为参与基因转录的激活或抑制,作者通过酵母单杂测试了DEC1的转录活性。结果发现,DEC1并不能增强酵母的生长,并且能够抑制VP16的转录活性,说明其能够转录抑制下游靶基因的表达。这些结果说明下调DEC1的表达通过释放下游靶基因的转录抑制来促进节间伸长。过表达大麦中的DEC1基因也能够强烈抑制株高和节间长度,表明禾本科植物中DEC1作为节间伸长抑制因子的功能可能比较保守。


dec1突变体dec1突变体表现出节间伸长,并且能够通过GA处理增强这种表型。并且无论有没有GA的处理,dec1突变体中节间位置两个细胞分裂标记基因HISTONE H4CDKA1具有组成型表达特征(Fig. 4h)。另外,dec1突变体中正在伸长的节间中细胞分裂被增强,并且GA处理能够进一步扩张细胞分裂区。这些结果说明GA通过调控DEC1基因的表达来调节居间分生组织的活性。

驯化与适应选择:作者进一步通过栽培种和野生种水稻研究了ACE1DEC1基因上的自然选择与驯化过程,结果发现ACE1DEC1基因在驯化群体和自然环境适应群体中存在完全相反的选择,分别选择了矮化和节间伸长(Fig. 4i)。

Fig. 4: DEC1 suppresses internode elongation, and opposite selection of ACE1 and DEC1 in domestication and environmental adaptation.


 通讯作者 


**Motoyuki Ashikari**


研究方向:

水稻驯化过程中芒的作用及丢失。



doi: 10.1038/s41586-020-2501-8


Journal: Nature

Published date: July 15, 2020


p.s. Nature同期配送了加州大学河滨分校Julia Bailey-Serres教授撰写的NEWS AND VIEWS:Genetic drivers of high-rise rice that survives deep floods(https://www.nature.com/articles/d41586-020-02059-0)



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