植物春化现象的分子调控机制揭示-基因农业网

植物春化现象的分子调控机制揭示

2014-12-26 | 作者: 昆明植物研究所 | 标签: 植物春化

春化(vernalization)是指一、二年生种子作物在苗期需要经受一段低温处理,才能开花结实的现象。冬性草本植物(如冬小麦)一般于秋季萌发,经过一段营养生长后度过寒冬,于第二年夏初开花结实,这是因为冬性植物需要经历一定时间的低温才能形成花芽。春化也是植物适应性进化的结果。生长在低纬度地区的拟南芥不需要经过春化阶段就可以正常开花繁殖,此类称为夏性拟南芥(summer annual);而生长在高纬度的拟南芥必须要经过春化阶段才能促进开花,否则开花时间将明显延迟,此类称为冬性拟南芥(winter annual)。已有的研究结果表明:夏性拟南芥因为在长期进化过程中,控制春化作用的一个重要蛋白 FRIGIDA(FRI)部分序列发生丢失导致 FRI 蛋白失活,从而不能有效促进 FLC(MADS-box 家族基因,开花负调控因子)的表达导致早花。而冬性拟南芥因为 FRI 蛋白依旧保持活性,如果不经过春化,FRI 蛋白促进 FLC 表达来抑制开花,而一定时间持续低温的春化作用,可以有效解除 FRI 对开花的抑制作用。春化现象为植物生理学家研究环境因子(比如低温)如何影响植物发育(比如开花)提供了理想的素材,但是春化现象的内在机制却是错综复杂、扑朔迷离,对于内在机理的解析也是众说纷纭。

中国科学院昆明植物研究所胡向阳研究组与杨永平研究组经过多年的努力,从冬性拟南芥中分离出有功能的 FRI 蛋白,并将 FRI 蛋白融合到绿色荧光蛋白 GFP 上(该融合蛋白命名为 FRI-GFP),最后将 FRI-GFP 蛋白转入到夏性拟南芥中,使没有春化现象的夏性拟南芥也获得春化性状,重建了利用模式植物拟南芥研究春化机理的新体系。利用此体系,研究人员首先发现春化过程中的持续低温处理可以明显诱导 FRI 蛋白的降解,一系列的体内体外生理生化实验证实 FRI 蛋白降解是通过泛素/26S 蛋白酶体途径来实现的。泛素/26S 蛋白酶体途径是真核生物中重要的调节细胞内蛋白动态平衡的系统。在蛋白质泛素化修饰过程中,泛素连接酶负责特异性识别和招募底物蛋白分子。CULLIN 家族蛋白是一类介导泛素连接酶复合物组装的连接分子。作为 CULLIN 家族成员之一,CUL3 与具有 BTB 结构域的衔接蛋白组成泛素连接酶复合物,并结合特异性的底物来介导底物的泛素化。

研究人员通过酵母双杂交、免疫共沉淀、双分子荧光互补等技术首先鉴定到两个全新的 LRB1 与 LRB2 蛋白,这两个全新的蛋白含有 BTB 结构域并能够与 FRI 相互作用,研究人员同时发现 FRI 也可以通过 LRB1/2 与 CUL3A 蛋白互作,失活 LRB1/2 或 CUL3A 蛋白都可以抑制低温诱导 FRI 蛋白的泛素化降解。进一步的遗传学与生理生化证据表明转录因子 WKRY34 可以识别 CUL3A 基因启动子区域的 W-BOX 结构域并启动 CUL3A 的表达,同时持续低温可以明显诱导 WRKY34 的转录表达。

研究表明,在春化过程中,持续低温诱导 WRKY34 基因上调表达,并启动 CUL3A 的表达,同时 LRB1/2 蛋白作为桥梁招募 CUL3A 与 FRI 形成蛋白复合物,驱动 FRI 的泛素化降解,从而解除了 FRI 蛋白对 FLC 的上调作用以及 FLC 对植物开花的抑制作用,最终导致植物早花。以前的春化机制研究侧重于低温信号如何对 FLC 以及其它开花相关基因的表观遗传调控,该研究则更多地关注低温信号如何通过调控春化相关蛋白本身的动态变化来影响植物开花,为植物春化现象的机理研究提供了新视角。

该研究结果以Proteasome-mediated degradation of FRIGIDA modulates flowering time in Arabidopsis during vernalization 为题在线发表于《植物细胞》(PLANT CELL)。研究得到中国科学院“百人计划”项目、国家自然科学基金项目、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目与中国科学院“西部之光”人才培养计划支持。国家重大科学工程“中国西南野生生物种质资源库”研究平台提供了相关研究支持。

FRI 蛋白泛素化介导拟南芥春化现象的可能机制

来源:昆明植物研究所

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