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中棉所李付广团队揭示油菜素内酯(BR)调控棉花纤维伸长新机制

更新时间:2023-03-13   点击次数:565次

棉花是重要的天然纤维作物,棉纤维细胞是植物中最长的单细胞之一,为研究细胞伸长提供了理想的模型。油菜素内酯(BR)在调节纤维伸长方面发挥重要作用,并且BR在棉花生产中已广泛应用。超长链脂肪酸(VLCFA)是细胞内含有20个碳及以上的脂肪酸,体外添加VLCFA能够促进纤维伸长。但BR和VLCFA在调控纤维伸长方面的关系及其作用机制尚不清楚。

中国农业科学院棉花研究所李付广团队前期使用DNA亲和纯化测序(DAP-seq)技术鉴定了陆地棉中BR信号通路核心转录因子GhBES1.4的靶基因,并通过多组学联合分析构建了GhBES1.4介导的BR调控棉纤维伸长的信号网络。DAP-seq结果显示,GhKCSs家族的一些成员是GhBES1.4的靶基因。进一步结合转录组测序数据发现,GhKCSs家族中的5个基因在GhBES1.4-OE和GhBES1.4-RNAi棉花材料中表现出表达量的显著改变Plant Physiology, kiac590, doi.org/10.1093/plphys/kiac590)。

该团队的最新研究成果阐明了GhBES1.4通过调控GhKCS10_At的表达参与棉纤维伸长的分子机制该成果于2023年3月2日发表在Plant Cell(IF=12.085)上,题为“Brassinosteroids regulate cotton fiber elongation by modulating very-long-chain fatty acid biosynthesis"。该研究揭示了BR通过调控棉花纤维内源VLCFA的合成,调节纤维伸长的分子机制,阐明了BR和VLCFA在调控纤维伸长方面的关系及其分子机理,对棉花纤维品质的遗传改良具有指导意义。


首先,通过检测BR功能缺失型突变体pag1纤维中VLCFA含量,发现BR缺失造成VLCFA含量下降,并且VLCFA合成途径关键限速酶GhKCSs家族中多个成员在pag1纤维中表达量下调,其中GhKCS10_At下调显著。胚珠离体培养表明BR位于VLCFA的上游发挥作用。该团队之前的研究已经证明GhBES1.4是BR信号通路核心转录因子(Plant Physiology, kiac590, doi.org/10.1093/plphys/kiac590),于是创制了GhBES1.4以及GhKCS10_At过表达和RNAi沉默的棉花材料,发现GhBES1.4GhKCS10_At均通过提高纤维中VLCFA含量促进纤维伸长。


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图1. GhKCS10_At是GhBES1.4的直接靶基因

EMSA、Bio-layer interferometry、ChIP、Luc实验结果表明GhBES1.4能够结合到GhKCS10_At基因启动子区域的BBRE元件上,这些结果进一步验证了DAP-seq的结论。

体内外一系列生化实验证实GhBES1.4可以结合到GhKCS10_At启动子区域的BR响应元件(BRREs)上,进而调控GhKCS10_At表达,表明GhKCS10_At是GhBES1.4的靶基因。遗传学实验也证实了GhKCS10_At位于GhBES1.4的下游。综上所述,该研究阐明了BR通过其核心转录因子GhBES1调控GhKCSs介导的VLCFA的合成,最终促进纤维伸长的分子机制。研究结果为解析BR调控棉花纤维伸长机制提供了新思路。

图2. BR通过影响VLCFA合成调控棉纤维伸长的模型

在BR存在的情况下,BR信号通路中的关键转录因子GhBES1移动到细胞核,直接与GhKCSs的BRRE结合并激活其表达。编码VLCFAs生物合成限速酶GhKCSs的高表达,增加内源性VLCFAs含量,进而促进纤维伸长。