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中国科学院遗传所王磊/王冰团队发现SMAX1和SMXL2通过非转录调控活性介导植物的烟素信号转导和红光应答

  • 转自:MPlant植物科学公众号
  • 日期:2024-06-01
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烟素(Karrkins, KARs)最初为从烟雾中鉴定的一类有机物燃烧产生的信号分子,能促进种子萌发、光形态建成、侧根生长等,同时在植物抗旱、耐盐以及与丛枝菌根真菌共生中发挥重要调控作用。烟素与植物激素独脚金内酯(Strigolactones, SLs)具有相似的化学结构和信号途径。烟素受体Karrikin Insensitive 2(KAI2)为独脚金内酯受体DWARF14(D14)的同源蛋白,F-box蛋白MAX2同时参与两条信号途径,而SMXL家族的不同成员介导两条途径的特异性和共性信号转导(Soundappan et al., 2015; Wang et al., 2015; Wang et al., 2020a; Li et al., 2022, 2024)。通常认为,SMAX1和SMXL2/6/7/8通过与转录因子互作或直接结合DNA发挥转录抑制功能,该过程需要EAR基序招募TPR/TPL共抑制蛋白(Wang et al., 2020b)。虽然SMXLs家族蛋白的转录抑制活性能够解释独脚金内酯和烟素如何上调早期应答基因的表达,但独脚金内酯和烟素抑制早期应答基因表达的机制尚不清楚,SMXLs家族蛋白能否通过非转录抑制的方式发挥功能仍然未知。

2024年5月29日,中国科学院遗传发育所的科研人员在Molecular Plant在线发表了题为“Non-transcriptional regulatory activity of SMAX1 and SMXL2 mediates karrikin-regulated seedling response to red light in Arabidopsis”的研究论文,揭示了SMAX1和SMXL2的非转录调控活性介导拟南芥烟素信号转导和红光应答的分子机制。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.05.007

该研究以SMAX1和SMXL2的互作转录因子PIF4和PIF5为切入点,发现PIF4和PIF5参与并且负调控拟南芥幼苗在红光下的烟素应答过程,暗示SMAX1和SMXL2正调控PIF4和PIF5的活性。SMAX1和SMXL2具有转录抑制活性,其转录抑制活性依赖于EAR基序。然而,令人意外的是,在红光下SMAX1和SMXL2调控下胚轴伸长仅部分依赖于EAR基序,而调控子叶夹角则不依赖于EAR基序,表明SMAX1和SMXL2存在不依赖于转录调控活性的作用方式。进一步研究发现,SMAX1和SMXL2与红光受体phyB互作,并抑制phyB与PIF4和PIF5的互作,从而增强PIF4和PIF5在红光下的蛋白稳定性,提高内源PIF4和PIF5的蛋白水平。

为分析PIF4和PIF5对烟素早期应答基因的调控,研究人员利用GR24ent-5DS外施处理拟南芥幼苗,系统鉴定了烟素早期应答基因,发现红光应答基因被显著富集,其中IAA29为PIF4和PIF5的直接靶基因。GR24ent-5DS处理显著下调IAA29的表达水平,该过程依赖于PIF4和PIF5。然而,对于非PIF4和PIF5靶基因KUF1,GR24ent-5DS诱导其表达不依赖于PIF4和PIF5。进一步分析显示,SMAX1和SMXL2下游基因中的三分之一受SMAX1非转录调控活性的影响。其中,SMAX1通过非转录调控活性对下游基因的诱导表达依赖于PIF4和PIF5。转录活性分析表明SMAX1对IAA29启动子活性的调控依赖于PIF4和PIF5,且不依赖于EAR基序,而SMAX1对KUF1的启动子活性的调控不依赖于PIF4和PIF5,且依赖于EAR基序。遗传分析表明过表达IAA29可部分恢复smax1smxl2中下胚轴和子叶夹角的表型,表明IAA29与其他SMAX1和SMXL2的下游基因共同调控下胚轴伸长和子叶偏上性生长。

SMAX1的转录调控活性和非转录调控活性影响拟南芥烟素信号转导和红光应答的工作模型

综上,该研究发现烟素途径关键抑制蛋白SMAX1,2与PIF4,5互作并保护PIF4,5不被phyB降解,提高IAA29的表达水平进而促进子叶上位性生长和下胚轴伸长;烟素信号的启动带来SMAX1,2的降解,解除了对红光信号转导的抑制,PIF4,5被phyB降解,IAA29表达降低,抑制子叶上位性生长和下胚轴伸长。该研究揭示了SMXL蛋白具有未被发现的非转录调控功能,在烟素信号介导的红光形态建成中发挥重要功能,对研究独脚金内酯以及其他激素信号途径中关键抑制蛋白的新功能提供了借鉴。

中国科学院遗传与发育生物学研究所王磊王冰研究员为该论文的共同通讯作者,中国科学院大学博士研究生常文文和硕士研究生乔巧为该论文共同第一作者,中国科学院遗传发育所农业资源研究中心为论文第一单位。中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士对本研究进行了重要指导,崖州湾国家实验室青年科学家李擎天参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金和中国科学院青促会的资助。

参考文献:

Li Q, Martín-Fontecha ES, Khosla A, White ARF, Chang S, Cubas P, Nelson DC (2022). The strigolactone receptor D14 targets SMAX1 for degradation in response to GR24 treatment and osmotic stress. Plant Commun. 3:100303.

Li, Q.T., Yu, H.Y., Chang, W.W., Chang, S.H., Guzman, M., Faure, L., Wallner, E.S., Yan, H.Q., Greb, T., Wang, L., et al. (2024). SMXL5 attenuates strigolactone signaling in Arabidopsis thaliana by inhibiting SMXL7 degradation. Mol. Plant 17:631–647.

Soundappan, I., Bennett, T., Morffy, N., Liang, Y., Stanga, J.P., Abbas, A., Leyser, O., and Nelson, D.C. (2015). SMAX1-LIKE/D53 Family Members Enable Distinct MAX2-Dependent Responses to Strigolactones and Karrikins in Arabidopsis. Plant Cell 27:3143-3159.

Wang, L., Wang, B., Jiang, L., Liu, X., Li, X., Lu, Z., Meng, X., Wang, Y., Smith, S.M., and Li, J. (2015). Strigolactone signaling in Arabidopsis regulates shoot development by targeting D53-Like SMXL repressor proteins for ubiquitination and degradation. Plant Cell 27:3128-3142.

Wang, L., Xu, Q., Yu, H., Ma, H.Y., Li, X.Q., Yang, J., Chu, J.F., Xie, Q., Wang, Y.H., Smith, S.M., et al. (2020a). Strigolactone and karrikin signaling pathways elicit ubiquitination and proteolysis of SMXL2 to regulate hypocotyl elongation in Arabidopsis. Plant Cell 32:2251-2270.

Wang, L., Wang, B., Yu, H., Guo, H., Lin, T., Kou, L., Wang, A., Shao, N., Ma, H., Xiong, G., et al. (2020b). Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis. Nature 583:277-281.