油菜素甾醇与茉莉素拮抗调控拟南芥顶端弯钩发育的分子机制

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双子叶植物的顶端弯钩可以保护茎顶端分生组织,避免其在破土的过程中遭受机械损伤。顶端弯钩发育缺陷将降低植物的出苗率,直接威胁人类的粮食生产安全。前人的研究发现多种植物激素调控顶端弯钩的发育,包括油菜素甾醇和茉莉素。有研究报道,油菜素甾醇合成或信号的缺陷及外源施加茉莉酸甲酯均导致拟南芥顶端弯钩缺失和子叶张开。那油菜素甾醇和茉莉素在顶端弯钩发育过程中通过何种分子机制来起相反的作用呢?我们以模式植物拟南芥为研究对象,在其顶端弯钩发育过程中探究了油菜素甾醇和茉莉素的调控关系,发现:(1)外源施加茉莉酸甲酯诱导野生型Col-0的顶端弯钩缺失和子叶张开,而同时外源施加油菜素内酯可以部分恢复此表型。此外,bin2-3 bil1 bil2和bzr1-1D对外源茉莉酸甲酯不敏感,说明增强油菜素甾醇信号可以抑制茉莉素诱导的顶端弯钩缺失;(2)外源施加油菜素甾醇合成抑制剂芸苔素唑可以诱导野生型Col-0以及coi1-2,myc2的顶端弯钩缺失和子叶张开。此外,双重缺失突变体dwf4-44 myc2,bri1-701 myc2呈现出与油菜素甾醇缺陷突变体dwf4-44,bri1-701类似的顶端弯钩缺失和子叶张开的表型,说明阻断茉莉素信号不影响油菜素甾醇缺陷导致的顶端弯钩缺失。以上结果表明,茉莉素通过抑制油菜素甾醇的功能来调控拟南芥顶端弯钩的发育。早期的研究发现外源施加茉莉酸甲酯可以抑制油菜素甾醇合成基因DWF4的表达。那么茉莉素是否通过抑制DWF4表达导致顶端弯钩缺失?利用茉莉酸甲酯处理拟南芥,发现:(3)茉莉酸甲酯的确部分抑制了野生型Col-0中DWF4的表达,但是不能抑制myc2 myc3 myc4中DWF4的表达,说明茉莉素通过MYC2、MYC3和MYC4来抑制DWF4的表达。此外,在烟草中所做的瞬时启动子活性分析实验表明MYC2、MYC3和MYC4均可以抑制DWF4的转录。但是,利用RNA干扰技术人为降低拟南芥中DWF4的表达量,发现:(4)尽管dwf4 RNAi中DWF4表达量降到与施加茉莉酸甲酯后的相似或更低水平,其顶端弯钩和子叶发育仍表现正常,说明DWF4表达量降低但不完全缺失并不影响顶端弯钩的发育。此外,还发现茉莉酸甲酯不影响BZR1蛋白的磷酸化状态。以上结果表明,茉莉素不是主要通过抑制DWF4的表达导致顶端弯钩缺失。为了探究油菜素甾醇和茉莉素拮抗调控拟南芥顶端弯钩发育的分子机制,通过酵母双杂交实验、双分子荧光互补实验以及免疫共沉淀实验,(5)证明了BZR1与MYC2存在相互作用。进一步研究发现MYC2竞争性地抑制BZR1与PIF4、PIF5的相互作用,调控下游顶端弯钩发育相关基因如WAG2的表达。综上所述,本论文发现茉莉素通过抑制油菜素甾醇的功能来调控拟南芥顶端弯钩的发育。一方面,我们发现茉莉素通过MYC2、MYC3和MYC4抑制DWF4的表达。更重要的是MYC2与BZR1相互作用,竞争性地抑制了BZR1和PIFs的相互作用,进而调控下游系列基因的表达来负调控顶端弯钩的发育。
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