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肖光辉教授课题组在棉花叶片形态建成和棉纤维发育领域取得重要研究进展
作者:          发布时间:2021-09-03     阅读:
   叶片作为植物的基本结构和功能单位,是植物进行光合作用的主要场所,也是植物进化的重要器官。在种子植物中,叶片具有显著的形态多样性,是影响光合作用、开花率、抗病性和产量的关键性状。尽管在过去的几年中,已经发现了许多调控叶片发育的基因,但不同叶型形成的精确调控机制仍不清楚。

2021322日,我院肖光辉教授课题组在植物学顶级期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为《GhARF16-1 modulates leaf development by transcriptionally regulating the GhKNOX2-1 gene in cotton》的研究论文,揭示了生长素信号通路关键因子ARF16-1通过激活其下游基因KNOX2-1来决定真双子叶植物的叶片形态。

该研究以农作物棉花为研究材料,探讨了不同形态棉花叶片的遗传基础。通过比较转录组分析发现GhARF16-1GhKNOX2-1基因在深裂叶片中的转录水平显著高于浅裂叶,可能是叶形的潜在调控因子。GhARF16-1GhKNOX1-1在陆地棉中超表达均会导致棉花叶片出现更多和更深的锯齿形态。进一步研究发现GhARF16-1能与GhKNOX2-1启动子中的生长素应答元件(AuxRE)特异性结合并诱导其表达。此外,GhARF16-1GhKNOX2-1在拟南芥中的异源表达导致叶片出现锯齿和卷曲的形态,遗传分析表明GhARF16-1GhKNOX2-1启动子的互作模式对拟南芥的叶形也有调控作用。GhARF16-1GhKNOX2-1启动子互作调控叶片形态的模式在双子叶植物中是功能保守的。以上研究结果对提高棉花叶片光能利用效率和增加棉花产量具有重要意义。

Plant Biotechnology Journal是植物学主流学术期刊,2020年影响因子为9.803,在植物学专业杂志排名第五,在农艺与作物学科中排名第一。我院副研究员何鹏、张余周博士和石河子大学李鸿彬教授为论文第一作者,肖光辉教授为论文通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、陕西省科技厅和陕西师范大学的资助。



1在裂叶中,大量 ARF16-1 蛋白直接与 KNOX2-1 启动子区域的 ARF 结合位点结合,激活KNOX2-1 转录,导致叶边缘缺刻形成。在光滑叶子中, GhARF16-1 转录本的缺乏导致 KNOX2-1 低表达,导致光滑叶子的产生。



肌醇 1,4,5-三磷酸 (IP3) 是细胞内一种重要的第二信使,能够将胞外信号转化为胞内信号,由磷酸肌醇特异性磷脂酶 C (PIPLC) 催化磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (PIP2)分解产生。作为重要的第二信使,IP3在动植物生长发育过程中扮演着不可或缺的作用。然而,IP3在棉纤维发育中的功能未见报道。

2021212日,我院肖光辉教授课题组在Cell子刊iScience在线发表了题为GhPIPLC2D promotes cotton fiber elongation by enhancing ethylene biosynthesis”的研究成果,揭示了IP3 参与棉纤维发育调控分子机制。该研究发现 GhPIPLC2D 能够通过产生IP3 促进乙烯的生物合成,进一步促进棉纤维伸长发育。

首先,在纤维中对GhPIPLC2D 表达量检测及IP3含量检测,发现GhPIPLC2D 在纤维快速伸长期表达量明显上升,同时IP3在纤维中表达量比胚珠中高,暗示IP3可能参与棉纤维发育进程。遗传分析表明,GhPIPLC2D基因沉默后,棉纤维长度显著降低,且IP3含量明显减少,乙烯合成相关基因表达量及乙烯含量也明显降低。而外源施加 IP3前体,亚麻酸(C18:3)和磷脂酰肌醇(PI)后,IP3 含量及乙烯的生物合成明显增加;外源施加亚麻酸抑制剂或磷脂酰肌醇抑制剂,IP3 含量及乙烯的生物合成明显降低。此外,外源施加IP3的磷酸化产物IP6 也能明显促进乙烯的生物合成及棉纤维伸长,且IP3的磷酸化产物IP6 能够恢复GhPIPLC2D基因沉默后的短纤维表型。该研究成果揭示了GhPIPLC2D 通过产生IP3 进一步促进乙烯的生物合成,促进棉纤维伸长发育。该研究为乙烯调控棉纤维发育的一个新的调控分支,为后续利用分子设计育种改善棉花纤维品质提供理论指导。

iScience是国际著名期刊Cell旗下新推出的目前唯一综合性开源子刊,属JCR Q1区杂志,2020年影响因子为5.453。我院博士后竺丽萍为论文第一作者,我院肖光辉教授,俞嘉宁教授及石河子大学李鸿彬教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、陕西省科技厅和中国科学技术协会的资助。


2 GhPIPLC分解PIP2产生IP3,进而促进乙烯的释放,最终调控棉纤维伸长