近日，我校林學與風景園林學院/亞熱帶農業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室吳藹民教授團隊系列分析了WRKY14和KNOXII成員KNAT3/4、KNAT3/7等轉錄因子在植物應對高溫脅迫和植物發(fā)育中的功能，成果發(fā)表在植物學領域知名期刊Molecular Plant、Plant Physiology和Journal of Experimental Botany上。
高溫極端天氣頻次的增多和持續(xù)時間的增長已使全球氣候變暖成為各國面臨的共同問題，嚴重影響農作物生產和糧食安全。植物對高溫響應的分子機制已成為植物學家非常關注的重要科學問題。PIF4在植物熱形態(tài)建成中起到關鍵的調控作用，然而PIF4轉錄因子激活活性的精細調控機制仍不十分清楚。吳藹民教授課題組和北京大學秦跟基教授課題組合作近期在國際著名學術期刊Molecular Plant在線發(fā)表了題為“Activation Tagging Identifies WRKY14 as a Repressor of Plant Thermomorphogenesis in Arabidopsis”的研究論文，發(fā)現(xiàn)了ABT1/WRKY14通過與轉錄因子TCP5相互作用來精細調控PIF4轉錄因子的活性，從而控制植物熱形態(tài)建成，并揭示了WRKY14、TCP5和PIF4形成一個復雜的調控模塊精細微調PIF4的活性以使植物響應不同的溫度變化。
WRKY14的氨基酸序列與ABT2/WRKY35、ABT3/WRKY65和ABT4/WRKY69的氨基酸序列高度相似并屬于系統(tǒng)發(fā)育樹中的同一進化支，這些WRKY的功能均未知。過量表達ABT2/WRKY35、ABT3/WRKY65或ABT4/WRKY69的轉基因株系均表現(xiàn)出和abt1-D類似對高溫不敏感的表型。通過構建多重突變體，發(fā)現(xiàn)abt1 abt2 abt3 abt4四重突變體表現(xiàn)出與abt1-D相反的表型，對高溫更敏感，下胚軸更長；進一步通過酵母雙雜交、熒光素酶互補和Co-IP等實驗證明了ABT1可以與TCP5、TCP13和TCP17相互作用；通過一系列生化實驗，研究者揭示了ABT1調控植物熱形態(tài)建成的分子機制，即ABT1和TCP5的相互作用，一方面抑制了TCP5對PIF4轉錄的激活，另一方面通過與PIF4爭搶TCP5抑制了PIF4-TCP5轉錄激活復合體的活性，從而精細調控PIF4的轉錄激活活性和植物對高溫的反應。研究者還通過一系列的遺傳互作實驗證明了ABT1確實與熱形態(tài)建成的正調控因子PIF4、TCP5和BZR1具有相反的作用。
KNOX（Knotted1-like homeobox）家族基因編碼同源異型結構域轉錄因子，分為KNOX I和KNOX II兩個亞家族，在植物生長發(fā)育過程中起重要調控作用。其中I類基因調控頂端分生組織的發(fā)育，II類基因在不同植物組織中都有所表達，控制不同組織部位的發(fā)育。吳藹民教授團隊在KNOXII參與植物發(fā)育調控上開展了一系列工作，在國際知名植物學期刊Plant Physiology在線發(fā)表了題為“Transcription factors KNAT3 and KNAT4 are essential for integument and ovule formation in Arabidopsis”的研究論文（論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac513）。
在植物的有性生殖過程中，珠被包裹珠心發(fā)育成完整的胚珠才能與花粉受精形成胚囊。現(xiàn)有研究已經報道了許多影響胚囊發(fā)育的調控因子，但胚囊發(fā)育的具體轉錄調控機制并不十分清楚。課題組研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中II類KNOX基因成員KNAT3與KNAT4之間存在功能冗余，雙突突變體中內外珠被不能正常發(fā)育，產生類珠被結構（integument-like structure），致使不能形成完整的胚珠，從而產生不育的性狀。利用酵母雙雜，雙熒光素互補和免疫共沉淀實驗發(fā)現(xiàn)KNAT3與KNAT4兩者之間存在互作，并且兩者都與外珠被調控因子INO存在互作，KNAT3/4和INO以復合體的形式調控外珠被的發(fā)育。以上結果證明了KNAT3與KNAT4是胚珠珠被發(fā)育重要的調控因子，為植物的生殖生長發(fā)育提供了理論根據(jù)。
吳藹民教授團隊在Journal of Experimental Botany上發(fā)表了“The Class II KNOX family members KNAT3 and KNAT7 redundantly participate in Arabidopsis seed coat mucilage biosynthesis”的研究論文。該研究報道了II類KNOX亞家族成員KNAT3和KNAT7正調控擬南芥種子的粘液質生物合成，其功能缺失導致種子粘液質產生和柱狀層形成缺陷。該文章被JXB遴選為當期Insight paper，作者Saez-Aguayo和Largo-Gosen在題為“Rhamnogalacturonan-I forms mucilage: behind its simplicity, a cutting-edge organization”的論文（Journal of Experimental Botany 73, 11：3299–3303）中高度評價這部分工作對RGI參與的種皮粘液的調控作用。
團隊先前發(fā)現(xiàn)KNAT7正調控半纖維素木聚糖的合成（He et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2018, 60, 514-528. (Cover Story)）; KNAT3和KNAT7功能缺失導致莖稈產生不規(guī)則導管、束間纖維壁厚度降低、次生細胞壁成分發(fā)生改變；knat3knat7雙突變體S/G型木質素比例降低，其中KNAT3通過與NST1/2相互作用定向調控木質素單體的合成（Qin et al., Journal of Experimental Botany, 2020, 71: 5469-5483）。在此基礎上進一步研究了KNAT3和KNAT7功能缺失對種皮粘液的影響。粘液質為特化細胞壁，knat7突變體粘液質產生缺陷，研究進一步發(fā)現(xiàn)KNAT3和KNAT7在擬南芥種子早期發(fā)育階段的粘液質產生調控中發(fā)揮重要作用。與野生型相比，knat3單突表型正常，knat7的粘液質厚度僅受到輕微干擾，而knat3knat7雙突則表現(xiàn)出嚴重的種子粘液質缺陷和柱狀層塌陷。多糖和單糖分析表明，該突變體粘附和可溶性粘液質中的RG-I含量及其生物合成底物GalA和Rha均降低。比較轉錄組分析表明，KNAT3和KNAT7可能在RG-I代謝調控中發(fā)揮冗余功能。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，KNAT3和KNAT7通過激活MUM4（MUCILAGE-MODIFIED4）表達參與RG-I生物合成的調控。
華南農業(yè)大學博士生秦文其，北京大學博士生王寧為Molecular Plant論文的共同第一作者。北京大學秦跟基教授和華南農業(yè)大學吳藹民教授為論文的共同通訊作者；課題組已畢業(yè)碩士研究生陳嘉俊是Plant Physiology論文的第一作者，南開大學門素珍教授等參與了部分研究工作；博士后張媛園和已畢業(yè)碩士研究生殷琦是Journal of Experimental Botany論文的共同第一作者，本校吳鴻教授和青島農業(yè)大學周功克教授團隊等參與了部分研究工作。研究得到國家自然科學基金等項目的支持。
文圖/林學與風景園林學院
