近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室玉米團(tuán)隊(duì)楊芳教授課題組與美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室David Jackson教授及山東大學(xué)徐芳教授合作在Nature Plants在線發(fā)表了題為“Glutaredoxins regulate maize inflorescence meristem development via redox control of TGA transcriptional activity”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)玉米中三個(gè)同源“CC-type”谷氧還蛋白（Glutaredoxins, GRX）通過(guò)調(diào)節(jié)bZIP轉(zhuǎn)錄因子FEASCIATED EAR4 （FEA4）的氧化還原穩(wěn)態(tài)而影響其轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而調(diào)控幼穗花序分生組織的發(fā)育。這項(xiàng)研究揭示了玉米穗發(fā)育與形態(tài)建成中分子調(diào)控的新機(jī)制，也為ROS信號(hào)如何影響分生組織發(fā)育提供了新的見(jiàn)解。
玉米是重要的糧食作物，其產(chǎn)量受穗發(fā)育及形態(tài)建成的影響，研究調(diào)控此過(guò)程的關(guān)鍵基因及其作用機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。植物分生組織發(fā)育過(guò)程中，維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)對(duì)干細(xì)胞命運(yùn)至關(guān)重要，此過(guò)程涉及一些關(guān)鍵基因功能的精細(xì)調(diào)控。谷氧還蛋白 （GRX） 可通過(guò)氧化還原和谷胱甘肽化修飾調(diào)控其靶蛋白的功能。然而，目前對(duì)GRX直接參與調(diào)控分生組織發(fā)育和活性的作用機(jī)理還知之甚少。
圖1. MSCA1及其同源基因正向調(diào)控分生組織發(fā)育和穗形態(tài)建成
楊芳教授課題組與David Jackson教授及徐芳教授近期研究了玉米谷氧還蛋白MSCA1及其兩個(gè)同源基因 （ZmGRX2、ZmGRX5） 調(diào)控穗發(fā)育的分子機(jī)制。三個(gè)同源基因存在較強(qiáng)的功能冗余，三突變體表現(xiàn)出花序分生組織活性顯著降低，小穗發(fā)育與分化受阻，進(jìn)而導(dǎo)致玉米單穗籽粒數(shù)顯著下降（圖1）。研究表明三個(gè)GRX蛋白的直接靶蛋白是一個(gè)負(fù)向調(diào)控花序分生組織發(fā)育的關(guān)鍵bZIP轉(zhuǎn)錄因子FEA4 （圖2）。系列生化實(shí)驗(yàn)表明MSCA1可以作為電子供體直接還原FEA4，破壞其分子間二硫鍵，改變其單體/二聚體的平衡狀態(tài)。更重要的是，三個(gè)GRX蛋白對(duì)FEA4的修飾直接影響了FEA4體內(nèi)結(jié)合DNA的能力及其調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄的能力。該研究成果揭示了三個(gè)GRX蛋白直接參與調(diào)控玉米花序分生組織發(fā)育的重要過(guò)程，闡明了其在穗發(fā)育和形態(tài)建成中的調(diào)控機(jī)制，并以嶄新的視角探索了玉米穗發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵調(diào)控因子的氧化還原態(tài)變化對(duì)維持分生組織的活性的重要作用。研究成果既具有創(chuàng)新性，也為玉米穗型改良和高產(chǎn)分子育種提供了理論指導(dǎo)。
圖2. 玉米三個(gè)GRX蛋白通過(guò)精細(xì)調(diào)控靶蛋白FEA4的氧化還原狀態(tài)促進(jìn)穗發(fā)育與形態(tài)建成
我校植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生楊若書(shū)、山東大學(xué)生命科學(xué)院徐芳教授為文章的共同第一作者，我校植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院楊芳教授和美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室教授David Jackson為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金等項(xiàng)目資助。
【英文摘要】
Glutaredoxins （GRXs） are small oxidoreductases that can modify target protein activities through control of the redox （reduction/oxidation） state by reducing or glutathionylating disulfide bridges. Although CC-type GRXs are plant specific and play important roles in many processes, the mechanisms by which they modulate the activity of target proteins in vivo are unknown. In this study, we show that a maize CC-type GRX, MALE STERILE ConVERTED ANTHER1 （MSCA1）， acts redundantly with two paralogues, ZmGRX2 and ZmGRX5, to modify the redox state and the activity of its putative target, the TGA transcription factor FASCIATED EAR4 （FEA4） that acts as a negative regulator of inflorescence meristem development. We used CRISPR–Cas9 to create a GRX triple knockout, resulting in severe suppression of meristem, ear and tassel growth and reduced plant height. We further show that GRXs regulate the redox state, DNA accessibility and transcriptional activities of FEA4, which acts downstream of MSCA1 and its paralogues to control inflorescence development. Our findings reveal the function of GRXs in meristem development, and also provide direct evidence for GRX-mediated redox modification of target proteins in plants.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01029-2
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