iScience | 秦跟基課題組發(fā)現(xiàn)植物熱形態(tài)建成的新機制
剛過去的2018年的夏天讓人記憶猶新，全球多地不斷出現(xiàn)氣溫創(chuàng)紀錄的新高，甚至連北極圈的溫度也達到了32℃。全球氣溫不斷變暖已經是人類面臨的一個不可回避的嚴峻現(xiàn)實問題。全球變暖不僅直接導致農作物產量下降，糧食價格上漲，也威脅植物的分布和多樣性。因此研究植物對高溫適用性的分子機制具有重要的現(xiàn)實意義。與動物不同，雖然植物不能移動，植物卻演化出很強的適應周圍生境的能力。在不同環(huán)境或生長條件下，植物形成多樣性的可塑性很強的不同形態(tài)來適應環(huán)境，這是植物區(qū)別于動物的一種重要生存策略。在高溫下，植物下胚軸變得更長、葉柄也更長但葉片卻更小等，這些形態(tài)特征統(tǒng)稱為植物的熱形態(tài)建成。熱形態(tài)建成有利于植物降低自身溫度，更好地適應高溫環(huán)境。熱形態(tài)建成的分子機制一直是植物學家研究的重要科學問題。目前已發(fā)現(xiàn)與植物光敏色素phyB相互作用的轉錄因子PIF4在植物熱形態(tài)建成中起到核心的調控作用，也鑒定出多個負調控因子通過抑制PIF4的活性來調控熱形態(tài)建成，但PIF4正向調控的機制研究還很不清楚。
5月8日，北京大學生命科學學院秦跟基教授課題組以題為“Arabidopsis transcription factor TCP5 controls plant thermomorphogenesis by positively regulating PIF4 activity”與蘭州大學生命科學學院黎家教授課題組背靠背地在國際著名期刊Cell旗下新推出的目前唯一綜合性開源子刊iScience上發(fā)表了2篇論文，兩個課題組相關的獨立研究結果揭示了植物特有的轉錄因子TCP5、TCP13和TCP17通過在轉錄水平和蛋白水平上正向調控PIF4的活性，從而促進植物的熱形態(tài)建成。
秦跟基教授課題組在研究TCP轉錄因子功能的過程中發(fā)現(xiàn)，TCP5基因過量表達能導致植物在常溫下組成型地形成熱形態(tài)建成的表型如下胚軸伸長、葉柄伸長而葉片面積卻降低。深入研究表明高溫不僅快速誘導TCP5的表達量、改變TCP5表達模式從葉片向葉柄轉移，還促進TCP5蛋白的穩(wěn)定性。在進化上與TCP5最近的TCP13和TCP17過量表達均出現(xiàn)組成型熱形態(tài)建成，單獨敲除TCP5、TCP13或TCP17都不影響植物熱形態(tài)建成，而同時敲除三個TCP基因的tcp5 tcp13 tcp17三重突變體在高溫下的熱形態(tài)建成表現(xiàn)出明顯的缺陷。進一步研究表明TCP5不僅在蛋白水平上與PIF4轉錄因子直接相互作用促進其轉錄激活活性，還在轉錄水平上直接結合到PIF4基因的啟動子區(qū)促進其表達。轉錄組分析表明TCP5和PIF4共調控70%與高溫反應相關的下游基因，遺傳互作也證明了TCP5促進PIF4的功能。該研究不僅確定了TCP轉錄因子在植物熱形態(tài)建成中的重
要作用，還闡明了植物感受高溫后形成熱形態(tài)時PIF4的精細調控機制（見圖1）。
圖1：TCP5基因受高溫誘導后，一方面與熱形態(tài)建成關鍵調控因子PIF4蛋白直接相互作用，另一方面直接結合到PIF4基因的啟動子區(qū)，促進PIF4的功能，從而正調控植物熱形態(tài)建成。
北京大學生命科學學院秦跟基課題組博士生韓翔為該論文的第一作者，秦跟基教授為通訊作者。該課題組成員博士生于浩、原榮榮，已畢業(yè)博士楊琰、以及安豐英博士為該論文的共同作者。該研究受到科技部重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30102-6。
北京大學秦跟基課題組一直致力于通過研究葉片發(fā)育，尋找控制植物器官發(fā)育的重要共有保守調控機制。近年來通過分子遺傳學和生化手段發(fā)現(xiàn)了多個基因在調控葉片等器官可塑性發(fā)育中起重要作用，其中包括該課題組發(fā)現(xiàn)的轉錄因子（TCP和WRKY）、TCP與轉錄抑制因子及E3泛素連接酶形成的TCP/TIE/TEAR調控模塊來精細調控葉片、分枝和胚珠發(fā)育的新機制（Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018），以及USL1與PI3K形成復合體通過調控生長素的極性運輸控制植物可塑性發(fā)育（New Phytologist, 2018）。該工作所揭示的TCP調控植物熱形態(tài)建成的新機制是TCP/TIE/TEAR模塊在高溫條件下精細調控植物可塑性發(fā)育的重要進展，也是一個很好的例證。
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