PLANT CELL | 杨淑华团队揭示隐花色素CRY2调控拟南芥抗冻性的分子机制
发布日期:2021-08-25 浏览次数:  信息来源:8455新葡萄娱乐场网站

    近年来越来越频繁的极端天气对农业生产的影响巨大。低温胁迫威胁作物生长的各个阶段,不仅会导致作物的减产甚至会造成作物死亡。将植物置于零上非致死温度下处理一定时间可以显著提高植物的抗冻能力,此为植物的冷锻炼过程。转录因子CBF/DREB1在这一过程中发挥至关重要的作用,该类转录因子介导的低温信号通路近年来研究得较为深入。转录组分析显示,只有10-20%的低温响应基因受CBF/DREB1转录因子调控。目前对CBF/DREB1不依赖的低温信号转导通路的认识还知之甚少。


       冷锻炼这一过程需要光照,并且近年来越来越多的证据表明光温信号之间存在着广泛而复杂的关系。红光受体 phyB 不仅被认为可以感受10°C -30°C的温度变化 (Jung et al., 2016; Legris et al., 2016),并且 phyB以及光信号组分PIF通过部分依赖于CBF/DREB1的低温信号通路调控植物的抗冻性 (Jiang et al., 2017; Jiang et al., 2020)尽管如此,人们对光信号在植物响应低温胁迫的调控作用研究还十分有限,光信号其他组分是否参与低温信号以及具体的调控机制还不明确。

      8月24日,杨淑华教授团队在The Plant Cell 杂志上在线发表了题为 The CRY2-COP1-HY5-BBX7/8 module regulates blue light-dependent cold acclimation in Arabidopsis的研究论文,揭示了拟南芥蓝光受体隐花色素CRY2(cryptochrome) 调控植物冷锻炼的分子机制。该研究发现拟南芥蓝光受体组成的CRY2-COP1-HY5模块通过不依赖于CBF/DREB1的BBX7/8转录因子正调控一部分冷响应基因 (COR 基因),从而正调控植物的抗冻性。


    研究者首先探究了自然光中的不同光质(红光和蓝光)对植物冷锻炼的影响,结果表明蓝光和红光都有利于植物的冷锻炼过程,并且蓝光的作用更强。对拟南芥蓝光受体CRY1和CRY2的突变体进行冻处理实验发现cry1-104  cry1 cry2 在冷锻炼前后都表现出明显的冻敏感表型。有意思的是,cry2-1特异地在冷锻炼后表现出冻敏感表型;CRY2过表达株系在冷锻炼之前存活率与野生型并无差异,但冷锻炼之后表现出明显的抗冻表型,这暗示着CRY2特异地调控着植物的冷锻炼过程。生化实验结果表明,低温可以使蓝光激活并磷酸化的CRY2的寿命延长增加CRY2蛋白的工作时间。这时CRY2与E3泛素连接酶COP1的相互作用增强,使得COP1与转录因子HY5 的结合减弱,从而抑制了低温光下COP1对HY5蛋白的泛素化降解。而CRY2-COP1-HY5对植物抗冻性的调控并不依赖于经典的CBF/DREB1低温信号通路,而是通过一类B-box 转录因子BBX7和BBX8。低温处理可以诱导其基因大量表达,并且HY5蛋白可以直接结合在BBX7/8启动子区的ACE结构域并激活其基因表达,调控下游的花青素合成基因的表达,正调控植物的抗冻性。

     综上所述,研究者提出蓝光调控植物对冷胁迫的响应模型:低温胁迫使光激活的CRY2更加稳定,光激活的CRY2减弱HY5与细胞核内COP1的相互作用,从而释放HY5蛋白,成功激活靶基因BBX7BBX8,从而促进植物花青素在体内的积累,提高植物的冷锻炼能力。该研究揭示了蓝光参与低温应答的分子机制,为人们理解光温互作提供了理论参考,为培育优良耐冷品种提供理论依据。


    该研究在中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室完成,杨淑华课题组博士研究生李幽平为该论文的第一作者,杨淑华教授为通讯作者。博士研究生傅迪毅吴时凤李岷泽,中国农业大学施怡婷教授、李继刚教授和巩志忠教授,中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所刘宏涛教授参与了该项研究工作。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献

Jiang B, Shi Y, Zhang X, Xin X, Qi L, Guo H, Li J, and Yang S (2017) PIF3 is a negative regulator of the CBF pathway and freezing tolerance in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 114: E6695-E6702

Jiang B, Shi Y, Peng Y, Jia Y, Yan Y, Dong X, Li H, Dong J, Li J, Gong Z, Thomashow MF, and Yang S (2020) Cold-induced CBF-PIF3 interaction enhances freezing tolerance by stabilizing the phyB thermosensor in Arabidopsis. Mol Plant 13: 894-906

Jung JH, Domijan M, Klose C, Biswas S, Ezer D, Gao MJ, Khattak AK, Box MS, Charoensawan V, Cortijo S, Kumar M, Grant A, Locke JCW, Schafer E, Jaeger KE, and Wigge PA (2016) Phytochromes function as thermosensors in Arabidopsis. Science 354: 886-889

Legris M, Klose C, Burgie ES, Rojas CC, Neme M, Hiltbrunner A, Wigge PA, Schafer E, Vierstra RD, and Casal JJ (2016) Phytochrome B integrates light and temperature signals in Arabidopsis. Science 354: 897-900


论文链接:https://doi.org/10.1093/plcell/koab215



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