代表性成果

2018年重要成果简介
来源:本站    发布时间:2019-1-28 10:59:50    点击数量:222
2018年重要成果简介:

1、低温CBF信号途径的分子调控机制研究进展(杨淑华)
低温胁迫限制植物的生长发育和植被的分布。植物如何感受和传递低温信号是一个长期被关注的科学问题。利用遗传学与分子生物学等技术手段研究发现,CBF转录因子在低温锻炼过程中发挥至关重要的作用。最近的研究也表明蛋白激酶以及若干转录因子参与CBF信号通路,这些研究成果大大扩展了对低温信号感受与转导的认识。我们受邀在国际综述期刊Trends in Plant Science (Shi et al., 2018) 撰写综述,分别从低温对植物的不利影响、低温锻炼概述、低温锻炼的转录调控网络、低温信号的感受、低温信号中的翻译后修饰、植物生长与耐低温之间的平衡等方面进行了全面的总结,并提出植物低温研究领域尚未解决的关键科学问题以及未来的研究方向,对植物耐低温胁迫的分子机制的全面理解将有助于耐低温作物新品种的培育。

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OST1通过磷酸化BTF3L稳定CBF蛋白正调控植物的抗冻性(杨淑华)
低温作为自然灾害之一,不仅严重阻碍植物正常的生长发育,而且限制植被的分布,威胁作物的生存。为了阐明植物感受和响应低温胁迫的分子机制,为培育耐低温新品种提供基因资源,我们研究组长期致力于植物低温信号通路的研究。我们前期鉴定到SnRK2.6/OST1 (Open stomata 1)蛋白激酶是植物抵抗低温胁迫的关键组分。OST1被低温激活后,磷酸化低温信号重要的转录因子ICE1,抑制ICE1的泛素化降解,从而增强植物的抗冻能力 (Ding et al., 2015,Dev Cell)。为了进一步研究OST1调控植物低温应答的分子机制,我们通过蛋白质谱方法结合酵母双杂交、体外Pull-down,双分子荧光标记和免疫共沉淀等实验证明新生多肽链偶联蛋白复合体β亚基BTF3 (Basic transcription factor 3)和BTF3L与OST1互作。BTF3L被低温激活的OST1蛋白磷酸化,从而增强其与低温关键转录因子CBF蛋白的相互作用。结果导致CBF蛋白稳定性增强,下游低温应答基因COR表达提高,最终植物的抗冻能力增强。此外,BTF3L蛋白还可以间接调控CBF基因的表达增强植物的抗冻能力。该研究揭示了OST1-BTF3L蛋白复合体调控植物响应低温胁迫的分子机制,促进人们对植物低温应答调控机制的理解。相关研究发表在 EMBO Journal (Ding et al., 2018a)。

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EGR2磷酸酶负调控OST1蛋白激酶在低温下的活性(杨淑华)
我们前期研究结果表明OST1蛋白激酶活性被低温激活后,通过磷酸化CBF基因上游关键转录因子ICE1以及新生多肽链偶联蛋白复合体β亚基BTF3,调节ICE1和CBF蛋白稳定性,从而正调控植物的抗冻性 (Ding et al., 2015,Dev Cell;Ding et al., 2018, EMBO J)。但是,OST1激酶如何被低温激活并不清楚。为了解决这一关键科学问题,我们通过生物化学以及分子遗传学等手段,鉴定到PP2C型E家族蛋白磷酸酶家族EGR2参与调控OST1低温激活过程。在正常温度下,EGR2与N-肉豆蔻酰基转移酶NMT1互作而被豆蔻酰化修饰,并且该修饰是其发挥低温应答调控功能所必需。豆蔻酰化修饰的EGR2 (m-EGR2)与OST1互作,从而抑制OST1的激酶活性,这时有利于植物的正常生长。当植物遭受低温胁迫后,EGR2与NMT1的互作减弱,植物合成大量新的非豆蔻酰化修饰的EGR2 (u-EGR2)。u-EGR2与OST1的互作减弱,从而解除对OST1的抑制;同时,在低温条件下,新合成的u-EGR2干扰m-EGR2与OST1的相互作用。EGR2的双重作用导致OST1被低温激活,磷酸化下游组分ICE1和BTF3s,从而增强植物的抗冻能力。该研究不仅揭示了OST1低温激活的分子机理,还暗示着EGR2的豆蔻酰化修饰可能参与了植物对低温信号的感知。相关研究发表在 EMBO Journal (Ding et al., 2018b)。

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、远红光受体phyA的铰链区调控phyA的蛋白磷酸化和功能(李继刚)
phyA光受体蛋白的N端为光感受结构域,C端为二聚化和信号输出结构域,两个结构域之间由一小段灵活的铰链区相连接。在多年前人们对燕麦phyA的研究中,发现其铰链区中有一个磷酸化位点(S599)可以调控燕麦phyA和其信号分子之间的相互作用。但是,不同物种的phyA铰链区的序列多变,燕麦phyA铰链区的S599位点在其他物种的phyA蛋白序列中并不保守,因此拟南芥phyA铰链区是否有类似的重要调控位点并不清楚。在该研究中,我们通过结合生物信息学预测和点突变研究,证明拟南芥phyA铰链区的三个位点(S590、T593和S602)对phyA发挥正常功能非常重要。将这三个位点一起突变为不能被磷酸化的丙氨酸(缩写为phyAAAA)或者模拟磷酸化的天冬氨酸(缩写为phyADDD)均显著削弱phyA的功能。进一步的研究表明,phyAAAA和phyADDD与FHY1/FHL的互作显著增强,但是并不影响phyA进入细胞核;此外,phyAAAA和phyADDD的Pfr形式在酵母中抑制COP1与SPA1互作的能力与phyAWT没有明显区别,表明phyAAAA和phyADDD的突变并不影响phyA形成活性的Pfr形式。有意思的是,将phyAAAA和phyADDD材料生长在远红光下时,phyA在细胞核中的磷酸化水平均显著降低;与之一致的是,在植物体内与COP1互作的磷酸化phyA的比例也显著降低。值得注意的是,phyAAAA突变造成的功能缺陷最显著,而该材料中磷酸化的phyA水平也最低。这些结果表明,磷酸化phyA的减少可能是造成phyAAAA和phyADDD功能缺陷的重要原因。为了进一步研究磷酸化phyA的重要性,检测了多个phyA相关材料中磷酸化phyA的水平,发现植物体内磷酸化phyA的水平确实和phyA的活性程度有严格的正相关性;此外,还揭示磷酸化phyA的产生需要同时满足两个条件:phyA处于细胞核中以及phyA处于Pfr形式,而这些条件恰好是phyA发挥功能的前提条件。因此,该研究进一步挖掘了磷酸化phyA形式在植物远红光信号传递中所扮演的重要角色,并且揭示拟南芥phyA铰链区三个可能的磷酸化位点能够调控植物体内磷酸化phyA的水平。相关研究发表在Proceedings of the National Academy of Sciences, USA (Zhou et al., 2018)。

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、植物通过MAPK级联主动抑制光合作用使免疫反应更为高效(张舒群)
植物的免疫系统一般认为由两个层级组成,一是位于细胞膜上受体感受到病原菌/微生物表面成分后诱导的瞬时的、较弱的免疫反应,称为PTI (Pathogen/microbe-Triggered Immunity);二是胞内受体识别病原菌效应蛋白 (effector) 后所激发的强烈的免疫反应,其通常伴随着区域性的细胞死亡,称为ETI  (Effector-Triggered Immunity)。长期以来,人们早就发现在病原菌侵染条件下光合作用下降的现象,但并不清楚该光合抑制到底是病原菌侵染对植物带来的被动伤害,还是植物感受到病原菌后主动下调光合作用以增强免疫的过程。该研究发现植物ETI激活后会导致光合作用的快速下降,而PTI不会引起任何光合作用的变化。作为ETI下游的重要信号通路,长时间激活MPK3/MPK6也能够诱导与ETI过程中类似的光合抑制。有意思的是,只有MPK3/MPK6长时间激活才能导致光合抑制,短暂的MPK3/MPK6激活并不抑制光合作用。相应的,在MPK3/MPK6的条件失活突变体中,ETI导致的光合抑制显著变慢。基于我们之前的研究结果,本研究中进一步发现光合抑制导致了叶绿体内活性氧的大量积累,且该积累对于ETI非常重要。当利用蓝细菌的flavodoxin将叶绿体活性氧清除后,植物的ETI显著降低。综上所述,该研究发现在ETI过程中,MPK3/MPK6长时间激活一方面上调控植物的免疫反应,另一方面通过抑制光合作用来增强植物的免疫反应。该研究的重要意义在于阐明了病原菌侵染造成的光合下降是植物主动调控的一个过程,MAPK级联作为既调控植物生长,又参与植物抗病调节的重要通路在该过程中起着不可或缺的信号调控作用。相关研究发表在 PLoS Biology (Su et al., 2018)。

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EAR1通过增强蛋白磷酸酶PP2C的活性负调控ABA信号转导(巩志忠)
由蛋白激酶和蛋白磷酸酶调节的蛋白磷酸化和去磷酸化是一个相互拮抗的过程,许多细胞功能依赖于这个过程。蛋白磷酸酶通常被抑制蛋白所调节,在ABA信号途径中,这些抑制蛋白是ABA受体PYR1/PYL/RCAR,它们可以抑制ABA信号的核心负调节因子蛋白磷酸酶PP2C。但是,PP2C的正调节因子目前研究还不清楚。我们的研究通过筛选ABA敏感突变体鉴定到一个突变体ear1(Enhancer of ABA Co-Receptor 1)。ear1-1突变体的种子萌发、幼苗根生长以及气孔运动对ABA敏感, 植株叶片表面温度高于野生型, 且具有抗旱表型。组织化学染色结果表明, EAR1基因在拟南芥的根、下胚轴、叶片、花以及保卫细胞等各个组织中均有表达, 说明EAR1的作用十分广泛。EAR1基因编码一个在高等植物中保守的未知蛋白。体外和体内的实验均证明在ABA信号中EAR1可以与ABI1、ABI2、HAB1、HAB2、AHG1和AHG3 六个A类PP2C蛋白的N端自抑制结构域互作并增强它们的磷酸酶活性。ABA可以促进EAR1蛋白进入细胞核,这些结果说明EAR1是ABA信号中的负调节因子,通过与PP2C蛋白的N端互作并解除其对自身活性的抑制,来增强PP2C的活性。相关研究结果发表在Plant Cell (Wang et al., 2018)。

7
、泛素连接酶PRU1调控植物磷根冠转运的分子机制(陈益芳)
磷是植物必需大量元素之一,参与植物的生长发育。植物细胞内的磷浓度一般维持在毫摩尔(mM)水平,而土壤溶液的有效磷浓度极低,一般低于10 mM,因此植物/作物经常遭受低磷胁迫。低磷胁迫条件下,植物磷根冠转运速率显著升高。我们前期研究结果发现,磷充足时,转录因子WRKY6直接负调控磷根冠转运关键基因PHO1的表达,抑制磷根冠转运;低磷胁迫条件下,WRKY6蛋白经过26S蛋白酶体途径降解 (Chen et al., Plant Cell, 2009)。为寻找调控WRKY6蛋白降解的E3泛素连接酶,我们对可能的e3突变体进行低磷表型筛选,发现一个T-DNA插入突变体(命名为pru1)具有类似于pho1突变体和WRKY6过量表达株系的低磷敏感表型和磷根冠转运缺陷。分子生化证据表明,PRU1具有E3泛素连接酶功能,与WRKY6特异地在细胞核互作。PRU1在低磷胁迫条件下泛素化WRKY6,进而降解WRKY6,进而解除WRKY6对PHO1的抑制作用,PHO1表达上调,促进磷根冠转运。遗传证据进一步表明PRU1是磷根冠转运的正向调控因子,PRU1通过调控WRKY6蛋白降解来调节植物磷根冠转运(Ye et al., Plant Cell, 2018)。PRU1-WRKY6-PHO1调控通路系统地阐明了植物在不同环境磷水平下精确调控磷根冠转运的分子机制,为进一步解析植物磷营养分子机制奠定了重要基础。相关研究发表在 Plant Cell (Ye et al., 2018)。

8
、远红光信号传递的新组分TZP调控phyA的蛋白磷酸化(李继刚)
太阳光中波长700-750 nm的区段为远红光(far-red light)。远红光对植物是一个重要的环境信号,调控其生长和发育的多个过程,比如避荫反应和种子萌发等。植物通过光受体——光敏色素A (phytochrome A, phyA)感知远红光信号。在黑暗下,phyA在细胞质中以非活性的Pr形式合成;感受远红光信号后,phyA的构象发生改变,转变为活性的Pfr形式。Pfr-phyA进而与FHY1互作,在其帮助下进入细胞核。在细胞核中,phyA与一系列光信号分子发生相互作用引起信号的级联反应,改变很多光应答基因的表达,从而使植物对光信号产生相应的生理响应。在上世纪90年代,人们筛选并获得了多个对远红光信号响应有缺陷的突变体;对相关突变基因的深入研究,使人们逐渐解析了植物中远红光信号感知和传递的分子机制。然而,可能是先前对突变体的筛选趋于饱和,最近十年很少有通过正向遗传学筛选获得远红光信号转导新组分的报道。在本研究中,我们通过筛选激活标签(activation tagging)的拟南芥突变体库,获得了两个对远红光信号响应有缺陷的突变体。遗传实验证明,这两个突变体的表型都由相同的基因——TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3(TZP)的突变引起。该研究发现,TZP的基因表达显著受光信号诱导,而远红光、红光和蓝光信号分别通过phyA、phyB和cry1/cry2诱导TZP的表达。有趣的是,TZP的蛋白条带在远红光、红光和蓝光下分别呈现不同的模式,当将植物从一种光条件转移到另一种光条件后,TZP的蛋白模式也发生相应的改变,表明TZP蛋白在不同光条件下有不同的修饰。生化实验结果表明,TZP与phyA和FHY1都相互作用,并且在远红光下调控phyA、FHY1和HY5(光信号途径的重要正调控因子)的蛋白水平。进一步的研究表明,在tzp突变体中磷酸化的phyA明显减少,而非磷酸化的phyA显著增多,表明TZP参与调控phyA的蛋白磷酸化。随着远红光光强的增强以及照射时间的增加,磷酸化的phyA在细胞核中逐渐积累,其丰度与phyA信号的响应程度呈正相关。因此,本研究鉴定了远红光信号传递的新组分TZP并证明其参与调控phyA的蛋白磷酸化,并揭示磷酸化的phyA在远红光信号传递中可能起重要作用。相关研究发表在 Plant Cell (Zhang et al., 2018)。
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