中科院植物所揭示介导小麦开花新机制

2019-10-08 14:44 来源:未知
中科院植物所揭示介导小麦开花新机制

中科院植物所揭示植物盐胁迫“记忆”调控新机制

中科院植物所揭示温度调控植物生长与免疫拮抗新机制

种子是裸子植物和被子植物重要的繁殖器官,种子的大小、形态、颜色、气味、化学组成和在植株上着生的位置等特征在不同的植物类群中存在广泛的变化,这些变化为种子的传播者提供了视觉、嗅觉、触觉、味觉,甚至是听觉上的感知线索,进而为种子植物和种子传播者的协同或弥散性进化提供了进化舞台。种子传播策略包括风传播、水传播、自身重力或弹力传播、哺乳动物传播、鸟传播、蚂蚁传播等。目前,对鸟和哺乳动物传播种子研究开展得较为深入,对无脊椎动物在植物种子传播中扮演的角色则研究较少。因此,一些由无脊椎动物完成的、不同寻常的种子传播策略总会激起公众对动植物共生关系的好奇,比如蛞蝓传播、无刺蜂传播、蟑螂传播、无翅大蝗传播、果实模拟粪球吸引蜣螂传播种子等。探索这些不常见的种子传播策略有利于人们真实地了解复杂的动植物互惠关系。

细胞内蛋白质翻译后O-连N-乙酰氨基葡萄糖(O-GlcNAc)修饰,由O-GlcNAC糖基转移酶催化完成,这种糖基化修饰参与调控细胞内多种重要的生物学过程,并在人类疾病与治疗中得到应用。在植物中,这种动态的蛋白糖基化与磷酸化修饰调节植物春化作用介导的开花过程,而O-GlcNAc信号与组蛋白表观遗传调控的关系尚不清楚。

记者日前从中国科学院植物研究所获悉,由该所研究员、中科院院士种康率领的研究团队利用蛋白质修饰组学和分子生物学策略,揭示了糖基化修饰和磷酸化修饰动态调控春化作用、介导小麦开花的机制,为冬小麦春化育种提供新的思路。该成果于近日在线发表于国际学术期刊《植物生理学》。

记者日前从中国科学院植物研究所获悉,该所研究员华学军研究组与研究员金京波研究组合作,针对植物盐胁迫“记忆”的调控机制展开了研究,相关论文在线发表在《美国科学院院刊》杂志上。

记者日前从中国科学院植物研究所获悉,该所研究员胡玉欣研究组通过对一个拟南芥突变体的研究,揭示了温度调控植物发育与免疫反应相互拮抗的新机制。相关成果近日在线发表在《新植物学家(New Phytologist)》杂志上。

胡蜂传播,即种子被胡蜂科昆虫进行传播,是蚁播植物中罕见的种子传播类型。目前仅在3个被子植物科中被发现,即Vancouveria hexandra、龄草属的种类、沉香属的种类。然而胡蜂到底是偶然传播蚁播植物的种子,还是它们之间已形成互利合作的稳定进化关系却没得到机制上的阐述。种子释放视觉的、嗅觉的或味觉的信号是否能指引胡蜂定向识别和传播种子也是有待解决的问题。考虑到社会性胡蜂是泛化的捕食者,胡蜂对昆虫体表的碳氢化合物十分敏感,研究组推测“闻起来像猎物”可能是胡蜂传播种子的重要原因。虽然胡蜂传播种子十分罕见,但胡蜂飞行能力强,能促进蚁播植物进行长距离传播,从而使之更有利于拓展新生境、促进居群间的基因交流、减少亲本与后代的竞争等。解析胡蜂的感知系统和种子信号的关系,将有助于理解胡蜂在植物长距离传播中扮演的角色及其进化意义。

中国科学院植物研究所研究员、中国科学院院士种康团队致力于植物体内O-GlcNAc信号调控春化响应及开花时间的分子机制研究。近期,该团队发现,拟南芥O-GlcNAc转移酶SEC基因功能缺失突变体具有早花的表型,且突变体中开花时间的负调节因子FLC的转录受到抑制,同时FLC染色质区组蛋白H3K4me3修饰水平显著降低,表明植物体内糖基转移酶SEC参与表观遗传介导的开花时间调节过程。FLC位点组蛋白的H3K3me3修饰由组蛋白甲基转移酶ATX1催化完成,该研究发现SEC可以直接催化ATX1使其获得O-GlcNAc修饰。在体外及体内条件下,SEC均表现出通过O-GlcNAc修饰而激活ATX1的组蛋白甲基转移酶活性,而且,遗传分析表明ATX1的功能依赖于SEC。进一步的蛋白质谱分析及蛋白点突变功能验证结果表明,位于ATX1的SET结构域中的Ser947是SEC对ATX1进行O-GlcNAc修饰并且激活其组蛋白甲基转移酶活性的关键位点。

研究人员利用抑制剂处理发现,改变氧-乙酰氨基葡萄糖信号能够显著影响春化关键基因的转录表达,并促进小麦开花,这在一定程度上能够部分取代春化作用。研究人员进一步分离并富集到参与春化作用的糖基化修饰和磷酸化修饰蛋白谱,发现多个同时具有糖基化修饰和磷酸化修饰的蛋白,并证明了这2种修饰在春化过程中的重要作用。

研究人员发现,拟南芥对盐胁迫诱导的脯氨酸积累及脯氨酸合成的关键酶基因P5CS1转录表达具有“记忆”能力,并且这种“记忆”依赖于胁迫恢复阶段的光照以及由植物光形态建成调控因子HY5所介导的光信号通路。这一研究结果揭示了调控植物胁迫“记忆”的新机制。

研究人员发现了一个拟南芥温度敏感突变体,该突变体在高温下生长发育受抑制而免疫反应被激活。进一步基因表达及遗传分析表明,该基因及其家族成员受到环境温度的调控,通过抑制植物免疫反应的重要调控因子SNC1的表达,从而调控植物的免疫反应和发育。该突变体是目前报道的首个高温敏感的免疫自激活突变体。该研究将加深人们对植物如何响应环境温度变化以调节免疫反应和生长发育的认识。

百部科百部属的大百部在整个东南亚是传统的药用植物,其杀虫、止咳润肺的功效已经得到验证。研究组在进行百部属植物调查时发现大百部蒴果内的传播体在其自然生境及植物园人工栽培条件下均会被胡蜂取食和传播。胡蜂取食大百部传播体的过程极像它们取食其昆虫猎物时的行为:觅食的胡蜂呈现之字形的飞行轨迹靠近大百部的传播体,当接近传播体的距离约10cm时,胡蜂会猛扑向传播体,仿佛正在捕食潜在的猎物。当胡蜂花费几分钟咬掉携带油质体的种子后,它会飞行一定距离,找到适合的地点对携带的传播体进行加工,该行为也类似胡蜂加工昆虫猎物时的行为(将猎物去头去尾,只取食中间的肌肉部分,然后将这部分用口器和脚搓揉成肉糜并带回巢穴饲喂幼虫)。胡蜂搓揉大百部传播体,咬掉大部分油质体后丢弃的种子落到地面上会被觅食的蚂蚁进行第二次传播。

该研究揭示了植物体内一种新的蛋白O-GlcNAc糖基化介导表观遗传修饰调控开花的机制,并且建立了组蛋白甲基转移酶的O-GlcNAc修饰参与植物发育过程的新功能。研究结果为表观遗传调控植物发育开辟了新途径,同时也为进一步研究O-GlcNAc信号调控植物发育及外界环境响应的分子机制奠定了基础。

据了解,春化作用是指冬小麦开花需经过长时间环境低温诱导的生理过程。由于不同冬小麦品种的春化特性及其与冬春季气温适应程度会直接影响其产量,因此对春化作用相关机制的研究对于冬小麦育种具有重要意义。O-GlcNAc糖基化修饰以及磷酸化修饰调控了植物体内许多重要的生理过程,但因为二者间的动态调控关系和化学鉴定的难度,其对于春化作用的调控机制长期不清楚。

据了解,为适应复杂多变的环境,植物能够对经历过的不利环境刺激产生一定的“记忆”,从而有利于更快更强地应对再次出现的胁迫。然而,人们对植物的胁迫“记忆”是否受其他环境因素的调节还知之甚少。

据了解,植物的生长发育与免疫反应都是耗能的过程,二者相互拮抗。高温条件下,植物在促进生长发育的同时,需要抑制自身的基础免疫反应,以保证更多的物质和能量以满足其生长的需要。然而,目前人们对温度调控植物生长发育与免疫反应相互拮抗的分子机制仍知之甚少。

中国科学院昆明植物研究所研究员孙卫邦带领的极小种群野生植物综合保护团队陈高通过和中国科学院西双版纳热带植物园汪正威、文平及华中师范大学艾辉合作,通过野外调查、化学分析、触角电位测定、胡蜂触角上的蛋白受体确定及系列的行为实验,解析了大百部种子被胡蜂传播的机制。研究揭示:① 胡蜂在大百部种子传播过程中扮演长距离传播的角色;② 大百部油质体在模拟昆虫血淋巴的同时,释放的嗅觉线索是维持胡蜂和大百部传播体关系的重要信号;③ 胡蜂和蚂蚁协作传播大百部种子的行为可以用来解释该物种目前的分布格局。该研究能为解析其他蚁播植物居群时空分布格局形成的研究提供理论基础和新的思考视角。该文以Hydrocarbons mediate seed dispersal: a new mechanism of vespicochory 为题在线发表于植物学期刊New Phytologist上。

该研究成果于8月27日在线发表于国际学术期刊The EMBO Journal。种康研究组副研究员邢立静和已毕业客座博士生刘焱为论文的共同第一作者,种康为通讯作者。相关工作得到国家基金委和科技部的资助。

DOI:10.1104/pp.19.00081

上述研究得到了国家自然科学基金“胡蜂传播大百部种子的识别机制及其生态意义研究”、云南省后备人才计划“植物色香味同动物弥散性进化关系研究”(2015HB091)及国家基金-云南省联合基金“金沙江干热河谷典型脆弱生态系统中受威胁植物的濒危机制解析及其综合保护”的支持。

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O-GlcNAc转移酶SEC通过O-GlcNAc修饰激活组蛋白甲基转移酶ATX1的活性进而负调控开花时间

不同产地的大百部种子能被不同的胡蜂进行传播

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大百部蒴果的视觉、味觉和嗅觉信号和胡蜂的潜在关系

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种子附属物释放的烷烃和烯烃信号能操作胡蜂的行为

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种子附属物的烷烃和烯烃信号能特异结合胡蜂触角上的识别蛋白

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