CDC5介导植物成花转变的分子作用机制

科技   2024-11-29 20:18   北京  
2024年11月19日,山东农业大学张数鑫团队在Plant Physiology上发表了题为“ CELL DIVISION CYCLE 5 controls floral transition by regulating flowering gene transcription and splicing in Arabidopsis”的研究论文,主要揭示了CDC5介导植物成花转变的分子调控机制。

研究背景

开花作为植物从营养生长向生殖生长转变的关键节点,涉及复杂的调控网络,以FT、FLC为核心的成花调控途径已得到了较为深入的研究。可变剪接及其表观遗传调控也可以介导植物成花转变,如FLC的表达受组蛋白乙酰化、H3K4me3、H3K27me3和H3K36me3的影响,ELF6调控的早花与FT 表达增加和FT染色质中H3K4me3水平升高有关。同时,控制开花时间的关键调控因子也受到剪接的影响,如FLCMAF。MAC复合体是一种与剪接复合体相关的复合体,包含5个核心亚基,即PRL1、CDC5、MAC7、MAC3A和MAC3B,可以广泛的介导植物的生长发育过程。其中,CDC5作为MAC复合体的关键组分,在调节细胞分裂、植物免疫、mRNA剪接、miRNA生物发生和DNA损伤修复中都起着至关重要的作用,但在成花转变中的功能目前还仍然未知。

研究结果

与Col-0相比,在LD和SD下CDC5的突变体cdc5-2均表现出早花表型,且cdc5-2突变体的莲座叶片数明显较少(图1B-1D)。为验证cdc5-2的早开花表型与CDC5的功能丧失有关,将proCDC5::CDC5-GFP转入cdc5-2突变体进行了回补试验,且获得的转基因植株的开花时间与Col-0相当(图1B-1D),证实了cdc5-2中观察到的早花表型与CDC5的缺失有关。此外,与Col-0相比,CDC5过表达植株的开花时间显著延迟。综上,表明CDC5是植物成花转变的负调控因子。
与Col-0相比,在7天、10天、12天和16天的cdc5-2幼苗中FLC的表达水平明显较低(图2A)。相应地,12日龄cdc5-2幼苗中FLC的靶基因FT的表达水平,以及16日龄cdc5-2SOC1的表达均明显高于col-0(图2B-2C)。而12日龄CDC5过表达系中,FLC的表达显著增加,FT的表达显著降低。cdc5-2中FLC相关转录因子MAF1-5的表达水平也明显下降(图2D)。综上,CDC5可能通过靶向FLC等调控植物开花。

将FLC突变体(flc-6)与cdc5-2杂交,获得了cdc5-2 flc-6双突变体,且其开花时间与flc-6单突变体相似,但明显早于cdc5-2单突变体(图2E-2F),cdc5-2 flc-6并未进一步加速开花,表明CDC5与FLC在相同的开花途径中发挥作用。而将FLC过表达系与cdc5-2杂交,发现cdc5-2突变引起的早花表型被抑制(图2G-2H)。将cdc5-2FRI(通过上调FLC表达诱导晚花)植株杂交,LD条件下,FRI cdc5-2植株比FRI植株提早抽薹(图2I),表明拟南芥中FRI介导的晚花至少部分依赖于CDC5。此外,RT-qPCR结果显示,cdc5-2可以在FRI Col-0背景下将FLC的表达恢复到Col-0水平(图2J)。综上,这些发现进一步表明CDC5抑制开花至少部分取决于FLC依赖方式,且cdc5-2突变体中FLC相关基因MAF1-5表达水平均下降表明FLC可能不是CDC5调控开花的唯一下游基因。

LUC实验结果显示,与对照相比,CDC5激活了FLC表达(图3A-3B)。在Col-0背景下获得了proFLC-GUS转基因植株,并将其与cdc5-2杂交,通过GUS染色和RT-qPCR分析,观察到cdc5-2背景下的GUS表达减少(图3C-3D)。为明确CDC5与FLC染色质的结合,利用proCDC5::CDC5-GFP转基因植株进行了ChIP实验,对FLC染色质上的a、b、c和d四个位点进行了qPCR,结果表明除d位点外,CDC5在a、b、c位点均存在富集(图3E-3F)。

之前的研究发现CDC5与RNA Pol II相互作用, CDC5与FLC启动子的关联是否影响RNA Pol II与FLC基因组DNA的结合尚不清楚。通过RNA Pol II亚基B2 (anti-RPB2)的特异性抗体对Col-0和cdc5-2突变体植株进行了ChIP-qPCR分析,发现cdc5-2FLC染色质上的RNA Pol II富集减少(图3G)。综上表明,CDC5可以通过结合FLC染色质并影响FLC染色质上RNA Pol II的富集来激活FLC表达。
为进一步阐明CDC5调控开花的分子机制,通过CDC5过表达系进行了IP-MS,发现CDC5的互作蛋白中存在SKIP。之后,通过Co-IP 、BiFC 、LCI 以及Y2H证实了CDC5和SKIP之间的相互作用(图4A-4D)。先前研究表明SKIP与Paf1c组分(PAF1C复合物是一个与Pol II直接紧密结合的转录调控复合物,参与转录调控的多个阶段,如转录暂停和延伸,也对表观遗传标记有一定的影响。)存在相互作用,推测CDC5也可能与Paf1c组分相互作用。对CDC5和Paf1c的两个关键组分ELF7和ELF8进行了Co-IP实验,结果显示CDC5-MYC可以分别与ELF7-GFP和ELF8-GFP相互作用(图4E-4G)。而Y2H结果表明,在酵母细胞中CDC5与ELF7或ELF8之间不存在直接相互作用。综上,CDC5与Paf1复合物相关,可能参与RNA加工和染色质调控。
鉴于CDC5是MAC复合体的重要组分,并参与pre-mRNA剪接对col-0和cdc5-2之间不同的选择性剪接(DAS)情况分析,发现cdc5-2中有15442个显著的DAS事件(图5B)。此外,在Col-0和cdc5-2中,差异表达基因和可变剪接基因之间存在220个重叠基因(图5D)。那么cdc5-2的早花表型是否与FLC pre-mRNA剪接异常所导致的FLC表达水平降低有关?与Col-0相比,cdc5 -2中FLC的6个内含子的剪接效率显著降低,特别是在12天龄的幼苗中(图5E-5F)。通过RT-PCR验证了col-0和cdc5-2中FLC内含子1和内含子5的剪接(图5G),证实了CDC5对FLC剪接的影响。此外,发现PRL1也影响FLC的剪接效率,RT-PCR证实了PRL1影响FLC内含子的剪接。这些结果表明,CDC5参与了全基因组选择性剪接,以及FLC pre-mRNA的剪接。
鉴于SKIP在SEF pre-mRNA剪接中的已知作用,研究了CDC5是否也影响SEF pre-mRNA的剪接。RT-PCR分析显示,CDC5调控SEFpre-mRNA的剪接(图6A-6B)。此外,观察到PRL1也参与SEFpre-mRNA的剪接。为进一步研究CDC5对SEF的转录调控作用,利用ChIP-qPCR分析了RNA Pol II在col-0和cdc5-2的SEF内含子区1/2的结合情况,结果显示CDC5突变增加了SEF内含子中RNA Pol II的富集(图6C-6D),表明CDC5同时调控SEF的转录和剪接。除SEF外,MAFs的剪接也受到了显著影响(图6E),且CDC5靶向的花发育相关基因,包括AGL16、TOE2、FLD、FLK、SPL4SPL10的剪接也受到CDC5PRL1突变的影响。综上表明,CDC5可以通过调节成花相关基因的剪接来控制开花时间。
为研究CDC5是否参与FLC染色质的组蛋白修饰,检测了cdc5-2和Col-0中H3K4me3的水平,cdc5-2中FLC检测位点的H3K4me3水平明显较低(图7A)。通过ChIP-qPCR对FLC染色质中H3K18ac的水平进行检测,发现cdc5-2中,FLC染色质检测位点a和b上的H3K18ac富集明显减少(图7B)。综上,表明CDC5参与了FLC染色质组蛋白修饰的调控。此外,Col-0和cdc5-2中,一些与染色质修饰相关基因的表达水平存在显著差异(图7C-7D),表明CDC5可能通过影响这些与组蛋白修饰相关的基因的表达来调节开花

评述

此研究从CDC5对成花转变的影响入手,通过对重要开花调控基因FLC表达水平等的探究,明确了CDC5通过结合并影响FLC染色质上RNA聚合酶II的富集,激活FLC的表达介导植物成花转变。同时,基于前期研究中发现的CDC5可以与RNA Pol II相互作用,以及作为MAC复合体的重要组分,参与pre-mRNA剪接和表观修饰等,通过对col-0和cdc5-2中DAS情况的分析等,发现CDC5也可以通过参与FLCSEFMAFs,以及花发育相关基因AGL16、TOE2、FLD、FLK、SPL4SPL10的剪接来介导植物成花,而对不同植株中FLC位点H3K4me3和H3K18ac水平的检测也表明CDC5可能通过影响相关基因的组蛋白修饰水平来调节开花。综上,明确了CDC5成花调控的作用机制,丰富了成花调控网络。


原文链接

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae616

评论:王佩毅

编辑:兰浴倩


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