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前沿|草业学院徐彬研究组发现PvSSG与PvNAP协同调控叶片衰老进程

2022-08-29 来源:草业学院 作者:徐彬 图片:

近日,Plant physiology在线发表了南京农业大学草类逆境与分子生物学团队题为STRONG STAYGREEN inhibits DNA binding of PvNAP transcrption factors during leaf senescence in switchgrass的研究论文,揭示了柳枝稷CCCH类锌指蛋白PvSSG(‘Strong StayGreen’)与转录因子PvNAP1/2互作,抑制PvNAPs的DNA结合能力,进而协同调控叶绿素降解及叶片衰老的分子机理。

叶片衰老进程是植物叶片发育的最终阶段,叶片早衰缩短了植物的光合周期,限制了植株的生物产量。适当延缓叶片衰老速率是提高作物、牧草和能源植物的产量和品质的重要途径。

植物体内存在一系列正向促进衰老的’油门元件’和反向抑制衰老的’刹车元件’,不同调控元件间相互作用,协同控制叶片衰老的有序进程。例如,转录因子NAP(NAC-LIKE,NAC029)能够直接靶定并促进叶绿素降解基因及ABA合成基因的表达,以加速叶片衰老进程,可被视为衰老进程中的典型’油门元件’。而多个CCCH类锌指蛋白(如TZF1、OsDOS、PvC3H69等)在叶片衰老中起到负调节作用,可被视为衰老进程中的典型‘刹车元件’。由于这些CCCH类蛋白的具体靶蛋白或靶基因尚不清楚,其在叶片衰老调控中的具体机制仍有待发掘。这些‘刹车元件’是否及如何直接作用于‘油门元件’,进而精细调控衰老进程仍有待深入研究。

该文以重要能源植物和牧草’柳枝稷’为研究材料,筛选到能够显著抑制叶片衰老进程的CCCH 类锌指蛋白(PvSSG)。过表达和RNA干扰PvSSG导致柳枝稷叶片迟绿或早衰。PvSSG为核定位蛋白,但无转录活性。通过Y2H文库筛选,发现PvSSG与一对转录因子(PvNAP1&PvNAP2)互作,利用BiFC、Pull-down及Co-IP等体内和体外实验进一步验证了其蛋白间互作结果。通过EMSA、Y1H和体内转录激活等实验,发现PvNAP1/2可以直接识别三个叶绿素降解基因(PvSGR, PvPAO,PvNOL)的启动子并转录激活其表达。过表达PvNAP1/2导致叶片叶绿素降解加剧和植物早衰,而共表达PvSSG与PvNAP1/2则显著抑制了叶片早衰现象。进一步实验发现,PvSSG结合PvNAPs后,阻碍了PvNAPs对DNA靶序列的绑定,阻抑其转录激活叶绿素降解基因的表达。此外,本研究还发现过表达PvSSG显著地提高了柳枝稷生物产量(30-47%),并显著改善柳枝稷的牧草品质(可溶性糖含量增加100-140%,粗蛋白含量增加31-66%),表明PvSSG在柳枝稷等能源草与牧草遗传改良中具有重要应用潜力。

PvSSG-PvNAP1&2模块调控叶绿素降解和叶片衰老中的作用模式图

综上,本研究揭示了一个新型叶片衰老’刹车元件’PvSSG与一对衰老’油门元件’PvNAP1/2在叶绿素降解和叶片衰老过程中分子调控机制。PvSSG能够显著提高柳枝稷的生物产量和牧草品质,在草类植物遗传改良中具有应用价值。

南京农业大学草业学院徐彬教授为通讯作者,南京农业大学已毕业博士生谢哲倪为该论文的第一作者,余国辉博士后为共同第一作者。南京农业大学博士生雷珊珊,中国农业大学王慧副教授参与了本次研究。相关工作得到了国家自然科学基金项目资助。

原文链接:https://doi.org/10.1093/plphys/kiac397


审核:屈勇

校对:赵烨烨

编辑:谷雨

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