提高番茄耐寒性的光信号及Slfhy3 和 SlHY5共同作用调控机制

2022-07-21 22:58:55, Create 科瑞恩特(北京)科技有限公司


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2021年12月22日,李天来院士和王峰教授课题组在植物学TOP期刊New Phytologist杂志上发表题目为“Slfhy3 and SlHY5 act compliantly to enhance cold tolerance through the integration of myo-inositol and light signaling in tomato”的研究论文,探究光与低温的共同作用对植物耐寒性的影响,揭示了番茄中Slfhy3基因在低R:FR(红光/远红光)比率光照诱导下对于耐寒性的作用,同时揭示了外部动态光信号及内部因素共同作用下番茄调节耐寒性的新调控机制。

    本研究中,野生型番茄(WT)为对照组,Slfhy3基因过表达组(Slfhy3-OE)、Slfhy3SlHY5基因沉默组为试验组。将五叶期的植株放置在R:FR光照条件(高、低)及温度(25℃、4℃)可控的环境生长控制室中培养7天。结果显示,与25℃条件下生长的植株相比,低温显著诱导了Slfhy3的表达,其中LR:FR光照下Slfhy3的表达水平更高(图1a)。为探究Slfhy3LR:FR诱导的耐寒性中是否起作用,研究人员利用基因编辑技术构建了三种Slfhy3突变体(Slfhy3#1Slfhy3#2Slfhy3#3)。与野生型相比,Slfhy3突变体耐寒性降低,而Slfhy3-OE植株情况相反(图1b-e),以上结果说明,Slfhy3在番茄经LR:FR诱导的耐寒性中起积极的作用。

1 野生型、Slfhy3突变体及Slfhy3-OE组番茄耐寒性检测。(e)底部颜色范围从黑色(0.0)至紫色(1.0)代表叶片损伤程度。

    随后,研究人员对叶面施加外源肌醇(0-50mM),探究肌醇能否增强番茄植株的耐寒性。结果显示,肌醇含量在5mM时番茄的耐寒性较高(图2ab),说明肌醇可以显著增强番茄的耐寒性。肌醇-1-磷酸合成酶(SlMIPS)是肌醇生物合成的关键限速酶,研究人员从番茄中鉴定出5SlMIPS。图2d可知,低温显著诱导了SlMIPS3的转录,且当SlMIPS3被破坏后,番茄的耐寒性及肌醇积累量显著下降(图2ef)。

图2 不同浓度肌醇诱导的番茄及SlMIPS3破坏后番茄的耐寒性检测。

    接下来,研究人员比较了野生型、Slfhy3#1Slfhy3-OE在不同R:FR光照条件下植株的耐寒性。与野生型相比,Slfhy3#1SlMIPS3表达量及肌醇含量低,而Slfhy3-OE的情况与之相反(图3ab)。LR:FR诱导了番茄中SlMIPS3的表达及肌醇的积累,而Slfhy3的突变抑制了这种情况的产生,证明Slfhy3正向调控SlMIPS3的表达和肌醇的合成,从而增强LR:FR诱导的番茄耐寒性。为了进一步证明SlMIPS3Slfhy3诱导的耐寒性中的关键作用,研究人员在Slfhy3-OE植株中沉默了SlMIPS3。由图3c-fSLMIPS3的沉默会部分影响Slfhy3-OE的耐寒性。综上所述,Slfhy3作用于SlMIPS3上游,通过调节肌醇的合成来增强LR:FR诱导的耐寒性。

3 Slfhy3正向调控低温条件下SlMIPS3转录及肌醇的合成对番茄耐寒性的影响。

    在试验过程中,研究人员发现Slfhy3突变体的SlHY5转录水平较低,而Slfhy3-OE的转录水平较高(图4a),LR:FR在低温下会显著诱导野生型和Slfhy3-OE植株中SlHY5的表达,然而这种效应在Slfhy3突变体中几乎被消除,因此LR:FR诱导的番茄SlHY5转录依赖于Slfhy3。为进一步探讨这种关系,研究人员沉默了野生型与Slfhy3-OE中的SlHY5基因,结果显示Slfhy3-OE组将SlHY5基因沉默后(pTRV-SlHY5),其耐寒性被严重破坏(图4b-d),说明Slfhy3作用于SlHY5上游。之后,研究人员将SlHY5-OESlfhy3突变体杂交,得到Slfhy3SlHY5-OE植株。Slfhy3突变体在经过杂交后其耐寒性部分恢复(图4ef)。因此,SlHY5在介导Slfhy3SlMIPS3的调控作用中起核心作用。

4 沉默SlHY5后野生型及Slfhy3-OE植株、Slfhy3SlHY5-OE植株的耐寒性检测。

    研究人员在SlMIPS3启动子中发现了三个SlHY5结合位点(图5a)。Y1H试验及凝胶EMSA表明,SlHY5可以与SLMIPS3启动子特异性结合(图5bc)。当使用anti-HA抗体时,SlHY5-OE植株中SlMIPS3DNA片段含量更高(图5d)。在低温下,SlHY5诱导叶片细胞中SlMIPS3p:LUC报告基因的表达(图5e),这些结果都表明SlHY5直接结合到SlMIPS3的启动子上并激活其表达。

5 SlHY5直接与SlMIPS3结合,激活其在低温下的表达。

    在低温条件下,SlHY5突变体的SlMIPS3表达量和肌醇含量低于野生型,但LR:FRSlHY5突变体的耐寒性影响不明显(图6ab)。当SlMIPS3SlHY5-OE植株中沉默后,对其耐寒性破坏严重,基本与沉默了SlMIPS3基因的野生型植株耐寒性接近(图6c-e)。

6 低温条件下,SlHY5正向调控SlMIPS3转录和肌醇含量。

    经过Y2H试验与双分子荧光互补实验可知,Slfhy3SlHY5可以相互作用(图7a-b),此外通过LUC成像分析,证实了活体植物中蛋白质之间互相作用的发生。

7 Slfhy3SlHY5互相作用。

    最后,进行了双荧光素酶测定,确定Slfhy3-SlHY5在低温条件下生长的叶片中激活SLMIPS3启动子的联合效应(图8a-c)。在低温条件下,Slfhy3SlHY5形成一个异源二聚体,与SLMIPS3启动子结合,增强了SlHY5SLMIPS3上的转录活性。

低温条件下,Slfhy3增强了SlHY5SlMIPS3的转录活性。



    本文利用Night SHADE LB 985植物活体成像系统,直观显示了番茄植株对外界环境中光照强度以及温度变化的响应,阐明了转录因子Slfhy3SlHY5通过形成异源二聚体增强SlMIPS3的转录活性,增加了内源性肌醇的合成,从而增强番茄植株对环境中不同光照强度及温度变化的耐受程度。本文揭示了植物对环境中不同光照和温度干扰的反应,有助于深入了解作物在环境条件发生波动时的适应机制。

原文链接: https://doi.org/10.1111/nph.17934


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