拮抗HLH / bHLH转录因子介导油菜素类固醇调节水稻和拟南芥细胞伸长和植物发育的过程外文翻译资料

 2022-12-30 11:26:47

植物细胞学，卷. 21：3767–3780，2009年12月，www.plantcell.org@2009美国植物生物学家学会

拮抗HLH / bHLH转录因子介导油菜素类固醇调节水稻和拟南芥细胞伸长和植物发育的过程。

Li-Ying Zhang,a,b,1 Ming-Yi Bai,a,c,1 Jinxia Wu,d,1 Jia-Ying Zhu,a,b Hao Wang,a,b Zhiguo Zhang,d Wenfei Wang,a,b Yu Sun,c Jun Zhao,a,b Xuehui Sun,d Hongjuan Yang,a Yunyuan Xu,a Soo-Hwan Kim,e Shozo Fujioka,f Wen-Hui Lin,a Kang Chong,a Tiegang Lu,d,2 and Zhi-Yong Wanga,c,2,3

a中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生物学重点实验室，北京100093,中国

b中国科学院研究生院，北京100049，中国

c

c卡内基科学研究所植物生物学系，加利福尼亚州斯坦福94305

d中国农业科学院生物技术研究所/国家基因资源与遗传改良重点设施，北京100081，中国

e延世大学生物科学系，韩国原州市220-710

f日岩RIKEN 高级科学研究所， 岩田岛瓦科希351-0198

在水稻（Oryza sativa）中，油菜素类固醇（BRs）会诱导椎板关节近端的细胞伸长，从而促进叶片弯曲。我们鉴定出一个水稻突变体（ILI1-D），其叶片倾斜表型增加，与BR处理引起的相似。 ILI1-D突变体过表达与拟南芥Paclobutrazol Resistance1（PRE1）和DNA结合蛋白的人类抑制剂同源的HLH蛋白。 ILI1的过表达和RNA干扰抑制分别增加和减少水稻层流倾斜，证实了ILI1在叶片弯曲中具有积极作用。 ILI1和PRE1与基本的螺旋-环-螺旋（bHLH）蛋白IBH1（与ILI1结合的bHLH）相互作用，后者的过表达导致水稻直立的叶片和拟南芥中的矮化。 ILI1或PRE1的过表达增加了细胞的伸长，并抑制了拟南芥中IBH1过表达引起的矮表型。因此，ILI1和PRE1可能通过异源二聚作用使抑制性bHLH转录因子失活。 BR增加ILI1和PRE1的RNA水平，但通过转录因子BZR1抑制IBH1。时空表达模式支持层间关节弯曲中ILI1和PRE1 / At IBH1在从年轻器官的生长到生长停滞的过渡中的作用。这些结果证明了通过一对拮抗的HLH / bHLH转录因子对拟南芥和水稻中BZR1下游起作用的BR调控植物发育的保守机制。

介绍

植物的发育和形态发生是由细胞的伸长和扩张以及细胞分裂驱动的。因此，植物细胞的伸长受环境信号和多种内源激素（包括油菜素类固醇（BR）的调控，油菜素类固醇（BR）是一种植物类固醇激素，在促进细胞伸长中起主要作用。此外，BR调节多种发育和生理过程，例如血管分化，生殖发育，光形态发生和应激。（Clouse和Sasse，1998； Bishop和Koncz，2002； Fukuda，2004）。对BR缺乏和对BR不敏感的突变植物在黑暗中表现出矮化，

1 这些作者对这项工作同样做出了贡献。

2 这些作者对这项工作同样做出了贡献。

3 与zywang24@stanford.edu通信。

深绿色的叶子，雄性不育和组成型光形态发生（Chory等，1991; Szekeres等，1996; Li and Chory，1997; Mori等，2002年）。

在阿拉伯拟南芥中进行的广泛的分子遗传和生化研究表明，BR信号从细胞表面的BRI1受体激酶到BZR转录因子的信号传导途径，后者调节BR响应基因的表达（Vert等， 2005; Wang等，2006b）。在没有BR的情况下，BZR转录因子BZR1和BZR2（也称为BES1）被类GSK3激酶BIN2磷酸化（He等，2002； Li和Nam，2002； Yin等，2002），因此通过与14-3-3相互作用，在蛋白酶体中降解以及DNA结合活性丧失而保留在细胞质中而失活（He

等，2002； Vert和Chory，2006； Gampala等，

2007）。 BR结合BRI1受体激酶的胞外域激活其激酶活性（He等，2000； Kinoshita等，2005； Wang等，2005），部分是通过诱导抑制性BKI1蛋白的解离和缔合/与共受体激酶BAK1反磷酸化（Wang and Chory，2006年）。活化的BRI1使BR信号激酶磷酸化（Tang等，2008），该激酶与BSU1磷酸酶结合。 BSU1在一个保守的磷酸酪氨酸残基上使BIN2去磷酸化并使BIN2失活，从而导致未磷酸化的BZR1和BZR2的核积累（Kim等，2009）以及BR反应基因的表达和植物的生长。

BZR1和BZR2在所有序列同一性上共享88％，并在基因表达和植物生长的BR调节中起主要作用（Wang等，2002； Yin等，2002）。 bzr1-1D或bes1-D两者的功能获得性突变可抑制BR缺乏和不敏感的表型（Wang等，2002； Yin等，2002）。 BZR1与BR反应元件（CGTGT / CG）特异性结合并抑制基因表达（He等，2005）。另一方面，显示BES1与基本螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子（BIM1）相互作用，并一起结合到BR诱导基因的E-box。 BES1还与MYB30共同起作用以促进BR靶基因表达（Yin等人，2005； Li等人，2008）。

与拟南芥中明确的BR信号传导途径相比，对单子叶植物中BR信号传导的了解少得多。水稻（Oryza sativa）中BRI1和BZR1的研究表明了保守的BR信号传导机制（Yamamuro等，2000； Bai等，2007），尽管尚未证明BR信号传导功能可用于其他成分的水稻同源物拟南芥BR信号通路的研究。有证据表明水稻异构体G蛋白alpha;1在BR信号传导中起作用（Wang等，2006a； Oki等，2008）。已有几个BR调控的水稻基因对BR调控的发育有贡献，包括BZR1的直接靶基因（Tong等，2009； Wang等，2009）。此外，许多研究表明，BR在特定的发育过程中具有重要作用。例如，BR生物合成基因的过表达增加了谷物的灌浆量和水稻的产量（Wu等人，2008）。水稻对BR的最敏感反应之一是叶片关节倾斜度（Wada等，1981）。弱于BR缺乏或不敏感的水稻植株具有直立的叶片，从而允许更高的生长密度和更高的每公顷谷物产量（Sakamoto等，2006），而增加的BR生物合成或信号传导则增强了水稻叶片的弯曲（Hong等， 2005; Bai等，2007; Nakamura等，2009）。因此，基于水稻叶片弯曲的遗传分析可能会导致对单子叶植物中BR调控生长的分子机制的见解。

bHLH蛋白是一组重要的转录因子，可在动植物中发挥多种功能。例如，bHLH转录因子在植物色素信号转导，细胞命运确定，气孔分化和BR反应基因表达中起关键作用（Bernhardt等，2005； Duek和Fankhauser，2005； Serna，2007）。典型的bHLH蛋白包含充当DNA结合基序的基本区域。以人Id蛋白为代表的一类HLH蛋白（DNA结合抑制剂）（Sun等人，1991年）缺少基本区域，无法结合DNA，但通过HLH区域的异二聚作用特异性抑制了其他bHLH转录因子（Ruzinova和Benezra） ，2003）。通过抑制bHLH蛋白（例如E），Id蛋白在哺乳动物的细胞分化和发育中起关键作用（Ruzinova和Benezra，2003； Kee，2009）。已发现拟南芥HLH蛋白与bHLH转录相互作用并抑制其转录参与植物发育的光调节的因素（Hyun and Lee，2006）。

在这项研究中，我们确定了一个水稻突变体（ILI1-D），该突变体表现出由HLH转录因子（ILI1）的过表达引起的椎板关节倾斜度增加和对BR过敏的表型。我们进一步确定了另一个bHLH转录因子IBH1，作为ILI1结合蛋白。转基因实验表明，ILI1和Os IBH1以及它们的拟南芥同源物PRE1和At IBH1在调节细胞伸长方面相互拮抗。 BR激活ILI1和PRE1的表达，但抑制IBH1作为水稻和拟南芥BZR1的直接靶基因。我们的结果表明，ILI1-Os IBH1和PRE1-At IBH1是保守的两对拮抗HLH / bHLH转录因子，它们在BZR1的下游发挥介导BR调节水稻和拟南芥中细胞伸长的作用。我们进一步提出，ILI1 / PRE1家族的成员整合了多种信号通路来调节细胞伸长和植物发育。

结果

ILI1-D突变体的分离与表征

水稻对BR的最敏感反应之一是叶片的倾斜度（Wada等，1981）。为了找到水稻中BR途径的新成分，我们筛选了许多T-DNA插入水稻系（Wan等，2009），并鉴定了叶片倾斜度增加的突变体（ILI1-D）（图1A和1B）。片角的测量表明，大多数野生型叶片在30°左右弯曲，而ILI1-D突变体的叶片在1208至1508左右弯曲（参见在线补充图1）。通过扫描选举显微镜的特写视图显示，在ILI1-

D的椎板关节近端的细胞生长增加，与经BR处理的野生型水稻相似（图1C）。当用浓度增加的24-表油菜素内酯（eBL；一种活性形式的BRs）处理时，ILI1-D的叶片节在eBL为10nM时达到最大弯曲度（1808），而野生型水稻的最大叶片弯曲度需要大约两个量级较高浓度的eBL（1 mM）（图1D）。ILI1-D的胚芽鞘伸长率也显示出比野生型水稻对BR处理的敏感性更高（图1E）。这些观察结果表明，ILI1-D突变体对BR过敏。BR水平的测量未显示出ILI1-D和野生型水稻之间BR含量的显着差异（参见在线补充图2）。这些结果表明ILI1-D在BR调节途径的分支或下游起作用。

HLH转录因子的过表达引起了ILI1-D叶片倾斜度的增加

杂合子群体的分离分析显示，ILI1-D突变体与野生型的比例为3：1，表明ILI1-D是显性突变体。使用热不对称隔行PCR在ILI1-D中鉴定了T-DNA侧翼序列（Liu等，1995）。 BLAS Tn结果表明，T-DNA插入了染色体4上的LOC_Os04g54890和LOC_Os04g54900之间（图2A）。定量RT-PCR分析显示Os04g54900的表达显着增加。在ILI1-D突变植物中，其他侧翼基因并未受到明显影响（图2B）。 Os04g54900的表达优先在椎板关节节中表达，仅在ILI1-D突变体的椎板关节中增加（图2C）。

为了测试Os04g54900的高表达是否导致ILI1-D突变体的叶角增大，我们用驱动Os04g54900 cDNA表达的花椰菜花叶病毒35S启动子构建体转化了野生型水稻。总共产生了42个转基因品系，其中约三分之二没有明显的表型。其他线条显示的表型范围从极度扭曲和迟钝。生长和不育（7株植物；在线参见补充图3），以增加叶片铰接弯曲（约8条线）的半矮植株（图2D，2F和2G）。此外，使用RNA干扰（RNAi）抑制了ILI1-D突变体中Os04g54900的表达，从而恢复了野生型直立叶片（图2E至2G）。这些结果表明，Os04g54900的过表达是ILI1-D表型的原因，因此我们将Os04g54900基因命名为ILI1（用于增加叶片倾角1）。在野生型背景（ILI1-AS）中反义抑制ILI1的表达会引起叶片直立的表型，证实了ILI1在调节椎板关节弯曲中的重要作用（图2H至2J）。

图1. ILI1-D突变体显示出层关节倾斜度和BR敏感性增加。

(A)野生型，用10 ng / mL eBL处理2 d（WT BL）和ILI1-D突变体的野生型七日龄水稻幼苗。

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