Nature Communications|HASTY介导的miRNA动态变化调控了拟南芥中缺氮诱导的叶片衰老

文摘   2024-09-18 11:03   中国香港  

缺氮胁迫 / 拟南芥 / miRNA / 转录因子

作为植物生长所必需的一种大量营养元素,氮(N)是氨基酸和叶绿素等分子的主要组成部分,其可用性极大地影响着植物的生长和发育。在自然生态系统和农田中,植物经常会遇到缺氮的环境,并由此表现出缺氮响应,以高效地获取土壤中可用的氮。缺氮响应包括根系结构的变化,高亲和力硝酸盐和铵转运系统相关基因的诱导,以及由于氮源的重新分配而导致的老叶黄化。
在生长发育的不同阶段,植物通过将养分重新分配来增强营养适应性,以此作为在缺氮环境中维持生长和生产力的策略。然而,在幼苗期由缺氮导致的叶片黄化,会造成严重的生长缺陷。因此,理解缺氮诱导的叶片黄化的分子机制,对于缺氮环境下的植物生长维持是必要的。
缺氮诱导的叶片黄化,伴随着包含叶绿素在内的含氮化合物的降解。其中的潜在机制已得到了广泛的研究,特别是在拟南芥中,这些研究表明,缺氮诱导的叶片黄化是一个复杂的、在转录、转录后和翻译后水平上受到精细调控的过程。尽管在理解缺氮响应过程方面已取得进展,但调控缺氮响应的机制仍大多未知。
许多参与自然或暗诱导叶片衰老的转录因子(TFs)已经被鉴定和表征,而这些TFs是否也调控缺氮诱导的叶片衰老仍有待深入研究。已有的研究表明,NAM/ATAF1/2/CUC2(NAC)家族TFs之一的ORESARA1(ORE1)/ANAC092,在拟南芥中增强了缺氮诱导的叶片衰老。因此,在缺氮条件下,ore1突变体的叶片保持绿色,而ORE1过表达株系的叶片比野生型(WT)更早地变黄。
MicroRNAs(miRNAs)是重要的信号分子,在转录后水平上调节基因表达。对在缺氮条件下生长的拟南芥植株进行的小RNA测序(sRNA-seq)分析显示,缺氮诱导了miRNA表达水平的动态变化;超过20种miRNAs的水平升高,而几种miRNAs的水平则下降。然而,这些变化背后的机制仍有待阐明。
2024年9月10日,Nature Communications上线了一篇关于植物缺氮响应机制的研究论文,“HASTY-mediated miRNA dynamics modulate nitrogen starvation-induced leaf senescence in Arabidopsis”。该研究通过表征HST的功能,揭示了HST介导的miRNA动态调控在缺氮诱导的叶片衰老中的重要作用。

图1. NAPORE1ANAC055在缺氮诱导的叶片衰老中的作用

通过之前的转录组数据发现,在缺氮的幼苗中补充硝酸盐后,NAC-LIKE, ACTIVATED BY AP3/PI (NAP)/ANAC029ORE1以及ANAC055的表达水平开始下降。于是作者假设,这三个基因编码的senNAC TFs(在自然和暗诱导的叶片衰老过程中调控叶片黄化的NAC TFs),在调控缺氮诱导的叶片黄化中起着关键作用。

为了验证这一假设,在先处于氮充足条件(6 mM N)然后分别处于缺氮条件(0.3 mM N)3天或5天的野生型(Col-0)拟南芥幼苗中,检测了11个编码senNAC的基因表达水平。NAPANAC055ORE1在缺氮条件下的表达模式与典型的缺氮诱导基因NRT2.5非常相似(图1a)。

在缺氮条件下,napore1anac055突变体中的Fv/Fm比也高于野生型(图1c, d)。一致地,两个叶片黄化标记基因STAY-GREEN1 (SGR1)和SGR2的表达水平,在这几个突变体中显著低于野生型(图1e, f)。

这些结果表明NAP、ORE1和ANAC055是参与加速缺氮诱导叶片黄化的senNAC TFs。

图2. HST介导的缺氮诱导叶片衰老的调控

为了识别控制缺氮响应的调控基因,该研究使用52个在NAPORE1ANAC055表达水平上具有自然变异的拟南芥生态型进行了eGWAS。在这些基因的表达水平上观察到了广泛的自然变异,并且这种变异与之前确定的由于缺氮导致的叶绿素含量减少的强自然变异高度相关。

有趣的是,在每个基因的eGWAS中,最强的相关性出现在包含HASTYHSTAt3g05040)基因的基因组区域。由于HST编码了一个与生成成熟miRNAs相关的输入/输出蛋白家族成员(图1g),这暗示HST可能在缺氮条件下参与了NAPORE1ANAC055的激活。
在对照条件(6 mM N)下,两个不同的hst敲除突变体(hst-6hst-7)及其背景下的过表达株系的叶片颜色与WT相似;然而,在缺氮条件(0.3 mM N)下,两种hst突变体的叶片比WT更快地变黄,而过表达株系35S:HSTCol-0-MYC/hst-635S:HSTCol-0-MYC/hst-7幼苗的叶片与WT相比保持了绿色(图2a)。即使是在温和的缺氮条件(0.3 mM N)下,hst幼苗的叶片也略微变黄,而WT的叶片依然保持绿色(图2a)。
此外,在缺氮条件下,hst-6叶片的Fv/Fm比(图2a, b)、叶绿素含量(图2c)以及三种叶绿体蛋白(Lhcb1、Lhca1和PsbC)的水平(图2d)均显著低于WT和35S:HSTCol-0-MYC/hst-6叶片。
在生长后期,hst-6突变体显示出较早的叶片衰老(图2e),较低的叶绿素含量(图2f)和Fv/Fm比(图2g, h),并且地上部和根系的鲜重也有所减少(图2i, j)。相比之下,在缺氮条件下的35S:HSTCol-0-MYC/hst-6植株,表现出相反的表型(图2e-j)。
图3. 缺氮胁迫下依赖于HST的miRNA累积的动态变化
进一步的研究表明,HST作为氮缺乏诱导的叶片衰老的负调控因子,其破坏和过表达会以不同的方式改变对缺氮响应的miRNA动态,进而改变miRNA的靶向mRNA水平。

图4. NAP mRNA是miR781的靶标
有趣的是,缺氮阻止了HST与其相互作用蛋白DCL1和RAN1以及某些miRNA之间的相互作用。这表明HST介导的miRNA动态调控共同控制了多个与氮缺乏反应相关的NAC转录因子的调控作用,从而成为氮缺乏反应网络的核心部分。
图7. 缺氮引起的HST与其伙伴蛋白和miRNA相互作用的减少
综上所述,该研究通过表达全基因组关联研究(eGWAS)和进一步的HST功能表征,向我们揭示了一种HST介导的miRNA动态调节机制。
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