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EMBO J. | 中国农大李继刚/杨淑华合作团队揭示植物光温信号互作新机制
发布日期: 2019-05-26 浏览次数:   信息来源:ag视讯_Ag视讯官网-「开户首充送大礼」

      2020年5月25日,EMBO Journal 在线发表了中国农业大学生物学院/植物生理学与生物化学国家重点实验室李继刚课题组和杨淑华课题组题为The cold response regulator CBF1 promotes Arabidopsis hypocotyl growth at ambient temperatures 的研究论文,揭示了植物冷响应途径的关键调控因子CBF1介导植物光温信号互作的新机制。



      光和温度是影响植物生长和发育的两个最重要的环境因素。在自然条件下,光和温度通常协同变化,白天温度较高,而夜晚温度较低。研究植物光温信号互作的分子机制,有助于理解植物如何协同响应环境的变化。光敏色素 (phytochrome) 是植物中感受红光和远红光的光受体 (Li et al., 2011)主要的光敏色素是phyAphyB,phyB又是植物感受环境温度 (12oC~27oC) 的受体(Jung et al., 2016; Legris et al., 2016)。PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS (PIFs) 是能够与光敏色素直接互作的转录因子介导多种信号对植物生长和发育的调控 (Paik et al., 2017)。杨淑华教授和李继刚教授课题组最近的合作研究表明,PIF3在低温下通过抑制冷响应途径的关键转录因子基因CBFs/DREB1s (C-REPEAT BINDING    FACTORs/DEHYDRATION-RESPONSIVE ELEMENT-BINDING PROTEIN 1s) 的表达,负调控植物的抗冻性 (Jiang et al., 2017);而CBFs在低温下通过与PIF3互作,促进phyB的蛋白积累从而增强植物的抗冻性 (Jiang et al., 2020)但是CBFs在环境温度下是否调控植物的光信号途径,先前并不清楚。


      该研究发现,在环境温度下CBF1能够促进拟南芥下胚轴在光下的伸长,从而介导植物对光温信号的协同响应。研究结果表明,CBF1能够和光敏色素phyA和phyB相互作用,并且phyA/phyB促进CBF1在光下的基因表达和蛋白积累。进一步研究发现,CBF1直接结合PIF4/PIF5的启动子,激活它们的基因表达,还能够抑制phyB与PIF4/PIF5的相互作用,增强PIF4/PIF5蛋白在光下的稳定性。通过上述双重机制,CBF1在环境温度下促进PIF4/PIF5蛋白在光下的积累。遗传数据表明,CBF1位于PIF4/PIF5的上游,在光下通过诱导PIF4/PIF5的积累,促进拟南芥下胚轴的伸长。有趣的是,CBF1在17℃和22℃均能促进PIF4/PIF5在光下的积累和拟南芥下胚轴的伸长,而且在17℃下的功能更显著;但是在4°C的冷胁迫下,尽管CBF1的基因表达被进一步诱导,CBF1却不调控PIF4/PIF5的积累和下胚轴伸长,表明CBF1对光信号途径的调控依赖于温度。该研究的结果表明,CBF1在环境温度下通过调控phyB-PIF4/PIF5信号模块,促进拟南芥下胚轴的伸长。该研究揭示了植物对光和低温信号的协同响应机制,表明两个信号途径密不可分,共同平衡调节植物的抗冻性和生长发育过程。


       

            图1. CBF1在环境温度下通过调控phyB-PIF4/PIF5信号模块,促进拟南芥下胚轴的伸长。


      三个CBFs基因 (CBF1-CBF3) 在基因组上串联排列,所编码的蛋白序列具有高度的相似性(>85%),而且在调节冷响应基因的功能上具有冗余性 (Shi et al., 2018)。然而,先前的研究发现CBF2和CBF3在野生拟南芥居群中存在多种形式的功能缺失突变,但是CBF1却基本没有功能缺失突变 (Kang et al., 2013),暗示CBF1可能具有独特和重要的功能。该研究的结果显示,在三个CBFs中只有CBF1在环境温度下参与调控拟南芥下胚轴伸长,表明CBF1确实进化出了不同于CBF2和CBF3的独特功能;野生拟南芥通常在较低环境温度下完成幼苗建成,而CBF1在环境温度下对幼苗建成的调控可能对植物在自然界的生存极为重要。


      中国农业大学博士研究生董晓静为该论文的第一作者,李继刚教授、杨淑华教授和康定明教授为该论文的共同通讯作者,北京大学顾红雅教授团队也合作参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京高校“双一流”建设的经费支持。


参考文献:
Jiang, B., Shi, Y., Peng, Y., Jia, Y., Yan, Y., Dong, X., Li, H., Dong, J., Li, J., Gong, Z., Thomashow, M.F., Yang, S. (2020). Cold-induced CBF-PIF3 interaction enhances freezing tolerance by stabilizing the phyB thermosensor in Arabidopsis. Mol. Plantdoi: 10.1016/j.molp.2020.04.006.
Jiang, B., Shi, Y., Zhang, X., Xin, X., Qi, L., Guo, H., Li, J., and Yang, S. (2017). PIF3 is a negative regulator of the CBF pathway and freezing tolerance in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA114:E6695-E6702.
Jung, J.H., Domijan, M., Klose, C., Biswas, S., Ezer, D., Gao, M., Khattak, A.K., Box, M.S., Charoensawan, V., Cortijo, S., Kumar, M., Grant, A., Locke, J.C., Schäfer, E., Jaeger, K.E., and Wigge, P.A. (2016). Phytochromes function as thermosensors in Arabidopsis. Science 354:886-889.
Kang, J., Zhang, H., Sun, T., Shi, Y., Wang, J., Zhang, B., Wang, Z., Zhou, Y., and Gu, H. (2013). Natural variation of C-repeat-binding factor (CBFs) genes is a major cause of divergence in freezing tolerance among a group of Arabidopsis thaliana populations along the Yangtze River in China. New Phytol.199:1069–1080.
Legris, M., Klose, C., Burgie, E.S., Rojas, C.C., Neme, M., Hiltbrunner, A., Wigge, P.A., Schafer, E., Vierstra, R.D., and Casal, J.J. (2016). Phytochrome B integrates light and temperature signals in Arabidopsis.Science 354:897-900.
Li, J., Li, G., Wang, H., and Deng, X.W. (2011). Phytochrome signaling mechanisms. ArabidopsisBook9:e0148.
Paik, I., Kathare, P.K., Kim, J.I., and Huq, E. (2017). Expanding roles of PIFs in signal integration from multiple processes. Mol. Plant 10:1035-1046.
Shi, Y., Ding, Y., Yang, S. (2018). Molecular regulation of CBF signaling in cold
acclimation. Trends Plant Sci. 23:623–637.

论文链接:
http://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2019103630
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