植物如何在紫外光線的脅迫下協調生長

2020-08-22 BioArt植物

Plant Cell | 中科院分子植物卓越中心劉宏濤研究組揭示植物平衡生長和抗紫外脅迫的新機制


責編 | 奕梵

紫外光UV-B是太陽光的一部分，其中窄波段UV-B調控植物發育，如抑制下胚軸伸長，促進子葉張開，促進類黃酮和花青素的積累等。全波段UV-B會引起脅迫，對植物造成損傷。引起脅迫反應的UV-B會破壞DNA，引發活性氧積累，並損害光合作用。植物通過積累「防曬」類黃酮，包括黃酮醇、花青素等，已經進化出有效的機制來防止或限制UV-B誘導的損傷。到達地球表面的UV-B水平是高度動態的，由時間、季節、緯度、海拔、樹蔭和許多其他因素決定。但植物如何適應UV-B水平的變化，協調生長和UV-B脅迫反應，目前還不清楚。


2020年8月13日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心劉宏濤研究組在The Plant Cell在線發表了題為Brassinosteroid-Activated BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1 Inhibits Flavonoid Biosynthesis and Coordinates Growth and UV-B Stress Responses in Plants的研究論文，揭示了油菜素甾醇信號平衡植物生長和抗紫外脅迫的新機制 。



劉宏濤研究組之前發現，UVR8能夠直接結合內源激素油菜素甾醇（BR）信號轉導中的關鍵轉錄因子BIM1、BES1，以及功能未知的轉錄因子WRKY36，生長素信號中的關鍵轉錄因子MYB73、MYB77並抑制它們的DNA結合活性進而抑制下遊基因表達及伸長，實現光形態建成調控。UV-B激活UVR8不僅調控地上部分發育也同時調控地下部分發育。UV-B促進的UVR8-BES1/BIM1 、UVR8-WRKY36及UVR8-MYB73/MYB77結合是光受體UVR8信號轉導的早期機制，也是三條全新的UV-B信號通路 （Liang et al., 2018a,b; Yang et al., 2018; Yang et al., 2020）。然而，BR信號是否參與UV-B脅迫反應尚不清楚。


該研究發現，油菜素甾體（BR）信號通過控制黃酮醇的合成抑制擬南芥和多種作物的UV-B脅迫反應。BES1介導植物生長和UV-B防禦反應之間的平衡。BES1抑制黃酮醇生物合成關鍵轉錄因子MYB11、MYB12和MYB111表達。BES1以BR增強的方式直接與這些MYBs的啟動子結合以抑制其表達，從而減少黃酮醇的積累。引起脅迫的UV-B會抑制BES1的表達，從而促進黃酮醇的積累。這些結果表明，BR激活的BES1不僅促進植物生長，而且抑制類黃酮的生物合成。UV-B脅迫抑制BES1的表達，將能量分配給類黃酮的生物合成和UV-B脅迫反應，使植物能夠及時地從生長轉向UV-B脅迫反應。


植物響應UV-B脅迫的工作模型


最後，研究人員提出了植物響應UV-B脅迫的工作模型：當植物在沒有UV-B的情況下生長時，BR信號激活BES1來抑制PFG-MYBs控制類黃酮合成的表達。當植物受到窄波段UV-B輻射時，光激活UVR8與COP1相互作用促進HY5的積累，從而啟動UV-B光形態建成，包括激活PFG-MYBs的表達。當植物受到寬帶UV-B輻射時，UV-B脅迫除了激活UVR8-COP1-HY5信號外，還以UVR8獨立的方式抑制BES1的表達，從而抑制PFG-MYBs的抑制。類黃酮作為防曬化合物，保護植物細胞免受UV-B脅迫。BR激活的BES1介導植物生長和UV-B脅迫反應之間的平衡。


值得一提的是，該論文是劉宏濤研究組近期發表的第二篇The Plant Cell論文。2020年8月7日，該研究組在The Plant Cell 在線發表了題為COR27 and COR28 are Novel Regulators of the COP1–HY5 Regulatory Hub and Photomorphogenesis in Arabidopsis 的研究論文。該研究鑑定了調控光形態建成新因子，揭示了光信號通過COR27和COR28精細調控光形態建成新機制。



參考文獻：


1. Liang T, Mei S, Shi C, Yang Y, Peng Y, Ma L, Wang F, Li X, Huang X, Yin Y, Liu H*. (2018) UVR8 interacts with BES1 and BIM1 to regulate transcription and photomorphogenesis in Arabidopsis. Developmental Cell. 44:1-12 https://doi.org/10.1016/j.devcel.2017.12.028

2. Yang Y, Liang T, Zhang L, Shao K, Gu X, Shang R, Shi N, Li X, Zhang P, Liu H*. (2018) UVR8 interacts with WRKY36 to regulate HY5 transcription and hypocotyl elongation in Arabidopsis. Nature Plants. doi: https://doi.org/10.1038/s41477-017-0099-0

3. Liang T, Yang Y, Liu H*. (2018) Signal transduction mediated by the plant UV-B photoreceptor UVR8. New Phytologist. 221(3):1247-1252 doi: 10.1111/nph.15469 (Invited review)

4. Yang Y, Zhang L, Chen P, Liang T, Li X, Liu H*. (2020) UVR8 interacts with MYB73/MYB77 in a UV-B-dependent manner, regulating auxin responses and lateral root development. EMBO Journal. doi/10.15252/embj.2019101928


延伸閱讀：

Plant Cell 背靠背 | 劉宏濤團隊、鄧興旺團隊揭示植物光形態建成調控新機制

EMBO Journal | 中科院植生所劉宏濤研究組揭示紫外光UV-B調控側根發育及生長素響應的新機制

劉宏濤組連發Dev Cell、Nature Plants揭示紫外光UV-B調控光形態建成的新機制


原文連結：

http://www.plantcell.org/content/early/2020/08/13/tpc.20.00048

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