JIPB |上海交通大学农生学院左开井教授团队揭示MYB- HD-ZIP IV转录复合物通过调控磷脂转运影响棉花纤维发育的新机制

文摘   科学   2024-09-19 16:20   北京  

棉花 (Gossypium spp.) 是重要的经济作物,棉花纤维是纺织工业最主要的天然纤维来源。虽然我国棉花单产位居世界前列,但是棉花品种的纤维品质与国际水平还存在一定差距。棉花纤维发育包括起始期、伸长期、次生壁合成以及成熟期四个重叠的阶段 (Haigler et al., 2012)。其中,棉花伸长期的发育状态影响决定纤维的长度和强度,进而影响棉花的产量、品质乃至纺织品的质量,因此研究纤维伸长发育的调控机制具有重要的理论意义和应用价值。
磷脂代谢途径是棉花纤维发育的关键途径,其在纤维中含量与纤维伸长发育密切相关。在纤维伸长过程中磷脂合成和转运途径显著上调,纤维细胞中磷脂含量升高 (Wanjie, 2005; Xu et al., 2020; Shi et al., 2006)。添加磷脂酰肌醇会显著促进体外培养纤维细胞的快速伸长 (Liu et al., 2015)。团队前期的工作表明,磷脂转运蛋白GhLTPG1 (GPI-anchored lipid transport protein,GPI锚定的脂质转运蛋白) 可以结合磷脂酰肌醇并向纤维细胞中转运,抑制GhLTPG1基因表达导致棉花纤维变短 (Deng et al., 2016)。尽管GhLTPG1在棉花伸长发育过程中具有重要功能,但GhLTPG1基因的调控机理并不清楚。
近日,JIPB杂志在线发表了上海交通大学农业与生物学院左开井教授课题组题为Transcriptional regulation of phospholipid transport in cotton fiber elongation by GhMYB30D04-GhHD1 interaction complex”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb13776),论文揭示了GhMYB30D04-GhHD1复合物通过转录调节GhLTPG1基因表达调控了纤维细胞中磷脂的转运过程,为深入理解棉花纤维伸长发育提供了新线索。
该研究通过分析GhLTPG1的共表达基因,利用酵母单杂交,荧光素酶报告实验以及ChIP-qPCR等方法证实了GhMYB30D04能够结合并激活GhLTPG1启动子。棉花中敲除和过表达GhMYB30D04后,GhLTPG1基因的表达水平随之降低和升高,同时纤维细胞中磷脂酰肌醇和磷脂酰肌醇单磷酸的含量也分别下降和上升。扫描电镜结果显示GhMYB30D04基因从发育早期 (3 DPA) 开始正向调控纤维伸长,不影响纤维起始细胞的分化和数目。在随后的纤维发育阶段,GhMYB30D04基因敲除株系的纤维长度显著降低,成熟纤维产量 (衣指和衣分) 降低,同时纤维品质例如上半部纤维平均长度、伸长率和强度显著下降,相反在GhMYB30D04基因过表达株系中显著升高 (图1)。


1.  GhMYB30D04激活GhLTPG1启动子以及Ghmyb30d04突变体的相关表型

蛋白互作筛选发现,GhMYB30D04与GhHD1能够形成的转录复合体,增强对GhLTPG1启动子的激活活性和结合强度,两者的相互作用依赖于GhHD1的START-SAD结构域和HD结构域。但是,GhHD1和GhMYB30D04相互之间并不存在转录调控。GhHD1蛋白可以结合多种磷脂酰肌醇,其保守的磷脂结合位点突变后会改变其核定位,导致其不能与GhMYB30D04在核中形成转录复合体而增强对GhLTPG1的激活。同时,GhHD1与GhMYB30D04在棉花中共同调控GhLTPG1的表达水平和纤维细胞的伸长发育 (图2)

图2 GhHD1-GhMYB30D04复合物激活GhLTPG1表达以维持棉纤维伸长过程中PIP含量的工作模型

综上,该研究阐明了: (1) GhLTPG1基因的转录调控分子机理。分析了GhMYB30D04的生物学功能,解析了MYB-HD-ZIP Ⅳ复合体调控纤维中磷脂转运的分子机理以及在纤维伸长中的功能。(2) 显示了GhHD1可能是一个纤维发育阶段转化的调节子。该研究结果为进一步培育具有高产优质纤维的棉花新品种提供了潜在靶点,为棉花分子设计育种奠定了一定的理论基础。
上海交通大学博士生宋庆玮为该论文第一作者,上海交通大学左开井教授为通讯作者,该工作得到了河南大学农学院林敏教授和中国农业科学院王劲教授的指导。上海交通大学博士生杜传慧和硕士生徐奕扬也参与了研究。该研究获得国家自然科学基金(32370267)、国家重点研发计划的资助。
参考文献:

Haigler, C.H., Betancur, L., Stiff, M.R., et al. (2012). Cotton fiber: A powerful single-cell model for cell wall and cellulose research. Front Plant Sci 3, 104

Wanjie, S.W. (2005). Identification and quantification of lipid metabolites in cotton fibers: Reconciliation with metabolic pathway predictions from DNA databases. Lipids 40, 773-785.

Xu, F., Suo, X., Li, F., et al. (2020). Membrane lipid raft organization during cotton fiber development[J]. Journal of Cotton Research 3, 1-9.

Shi, Y.H., Zhu, S.W., Mao, X.Z., et al. (2006). Transcriptome profiling, molecular biological, and physiological studies reveal a major role for ethylene in cotton fiber cell elongation. The Plant Cell 18, 651-664.

Liu, G.J., Xiao, G.H., Liu, N.J., et al. (2015). Targeted lipidomics studies reveal that linolenic acid promotes cotton fiber elongation by activating phosphatidylinositol and phosphatidylinositol monophosphate biosynthesis. Molecular Plant 8, 911-921.

Deng, T., Yao, H., Wang, J., et al. (2016). GhLTPG1, a cotton GPI-anchored lipid transfer protein, regulates the transport of phosphatidylinositol monophosphates and cotton fiber elongation. Scientific Reports 6, 26829.

文章引用:

SongQ.,  ChuanhuiD.,  XuY.,  WangJ.,  LinM., and  ZuoK. (2024).  Transcriptional regulation of phospholipid transport in cotton fiber elongation by GhMYB30D04–GhHD1 interaction complex. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13776

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