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    農學院作物資源高效團隊青年教師在Nature Communications發表合作論文

    來源單位及審核人:農學院 林軒東 編輯:李彥華審核發布:陳芃辰 發布時間:2024-05-14

      近日,我校農學院作物資源高效研究團隊青年教師石碧海副教授與法國國家科學研究中心Teva Vernoux課題組、Patrick Achard課題組合作在國際權威期刊Nature Communications(影響因子16.6,中科院一區Top)發表了題為“A quantitative gibberellin signaling biosensor reveals a role for gibberellins in internode specification at the shoot apical meristem”的研究論文。該研究開發了一種比率型赤霉素(Gibberellins, GA)信號生物傳感器(biosensor),首次揭示了GA信號在莖尖分生組織(Shoot apical meristem, SAM)的分布模式,發現了GA信號通過調節細胞分裂面方向調控SAM中節間細胞特化的機制。

      SAM是植物地上部所有器官的來源,其包含一個干細胞團,能夠在整個生命周期中以模塊化方式連續不斷產生側生器官和莖節,對于植物株型形成具有深遠影響。一個發育模塊,或稱為一個植物發育單元(phytomer),包含節間、節上的側生器官和葉腋處側芽。發育單位的生長和組織形式會隨著發育進程而發生變化。如,擬南芥營養生長期節間生長受到抑制,蓮座葉側芽處于休眠狀態;當進入開花轉換期,SAM轉變為花序分生組織,產生伸長的節間,葉腋處側芽打破休眠外生形成側枝;開花期側枝則以花的形式呈現。目前,人們對于葉、花和側枝等側生器官的起始機制有了比較深入的認識,然而,對于節間如何起始的機制尚不清楚。

      SAM生長對于生命周期內器官持續發生至關重要。GA是一類二萜類植物激素,對植物生長有重要調控作用,參與種子萌發、節間伸長和開花等諸多生長發育事件。然而,GA及其信號轉導在SAM生長中作用仍所知甚少,有待深入研究。DELLA蛋白是GA信號通路的核心負調控因子。當GA存在時,受體蛋白GID1與GA結合后發生構象變化,使得DELLA蛋白與之結合,促進DELLA蛋白泛素化和隨后26S蛋白酶體途徑對DELLA的降解,從而解除DELLA蛋白對下游基因的限制,促進植物生長。

      該研究首先開發了一種比率型GA信號生物傳感器qmRGA,qmRGA通過定量映射由GA及其受體濃度的協同作用產生的GA信號活性,提供了細胞水平上GA功能的信息。通過生化和體內熒光蛋白定量等手段,進一步證明了qmRGA在下胚軸和SAM等組織器官中能夠對外源和內源GA變化作出響應。為探索GA信號在SAM生長過程中的可能作用,研究人員利用qmRGA對SAM中GA信號分布進行定量分析,繪制了莖尖生長點SAM中的GA信號活性分布圖,發現高強度GA信號主要存在于器官原基間區域(inter-primordia-region, IPR)的細胞中。通過對GA信號活性與細胞擴張和細胞分裂進行關聯分析,發現GA信號活性與IPR細胞分裂面橫向分布相關。進一步分析GA信號增強突變體global della和quad della、GA合成缺陷突變體quad ga2ox以及GA信號區域特異減弱植株pCUC2::gai-VENUS在SAM上IPR和非IPR區域的細胞分裂方向的變化情況,證明了GA信號調控細胞分裂面的方向。時間點活體成像跟蹤上述遺傳材料中IPR細胞的組織方式和發育變化,揭示了IPR細胞的分裂模式確實預先組織細胞成放射狀排列,就像在節間中一樣。這種放射狀的組織方式以及IPR細胞位于器官原基之間的定位,表明這些細胞是節間前體細胞。最后,作者在上述材料中觀察到植物節間長度的相應變化。因此,以上結果支持了這樣的假設:在IPR中較高的GA信號活性通過調節細胞分裂面的方向,特化了莖尖生長點SAM中節間的細胞組織結構。該研究為進一步深入理解GA在SAM中的作用提供了新的見解。

    GA信號在SAM中節間細胞特化中的作用模型

      農學院作物資源高效研究團隊青年教師石碧海副教授和法國國家科學研究中心植物分子生物學研究所、斯特拉斯堡大學Amelia Felipo-Benavent博士為該論文共同第一作者。法國國家科學研究中心植物生殖與發育實驗室、里昂高等師范學校Teva Vernoux研究員和法國國家科學研究中心植物分子生物學研究所、斯特拉斯堡大學Patrick Achard研究員為該論文的共同通訊作者。該研究得到了法國國家研究署(French National Research Agency) 和嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室基金等項目的經費支持。

      相關論文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-024-48116-4




    文圖/農學院 石碧海

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