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獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)途徑起源研究取得新進(jìn)展

文章來源:中國(guó)科學(xué)院東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  |  發(fā)布時(shí)間:2021-12-07  |  作者:王洽  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關(guān)閉

 

   獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactones, SLs)最初作為寄生植物種子萌發(fā)的刺激物被發(fā)現(xiàn),近些年被確認(rèn)為一類新型的植物激素。獨(dú)腳金內(nèi)酯不僅影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的許多方面(如調(diào)控分枝和根系形態(tài)等),還能作為植物與根際微生物之間的交流信號(hào)。KarrikinsKARs)是植物燃燒產(chǎn)生的小分子,包含一個(gè)類似于獨(dú)腳金內(nèi)酯D環(huán)的丁烯酸內(nèi)酯部分。Karrikins最初也是作為種子萌發(fā)信號(hào)分子被發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在則被認(rèn)為是一類未知的植物內(nèi)源性分子(KLs)的類似物。該內(nèi)源性分子通過karrikin信號(hào)途徑發(fā)揮作用,影響眾多植物發(fā)育及生理過程,如幼苗光形態(tài)建成、葉片發(fā)育和非生物脅迫反應(yīng)等。

   獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikins不僅在結(jié)構(gòu)上有相似之處,其信號(hào)途徑亦存在緊密關(guān)聯(lián)。感知獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的受體D14KAI2互為同源蛋白,同屬α/β折疊水解酶超家族的一支,并通過與相同的F-box蛋白MAX2互作,促使抑制因子SMXL家族的不同成員發(fā)生泛素化降解,從而傳導(dǎo)信號(hào)。KAI2在輪藻和陸生植物中廣泛存在,而D14僅分布于種子植物當(dāng)中,因此D14被認(rèn)為是通過基因復(fù)制和新功能化從KAI2演化而來。但KAI2以及整個(gè)獨(dú)腳金內(nèi)酯/karrikin信號(hào)途徑在植物中如何起源還尚不清楚。近日,中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物進(jìn)化基因組學(xué)研究組與澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)開展合作研究,通過多方面的證據(jù)顯示水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal Gene Transfer, HGT)在獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)途徑起源和演化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 

   研究人員通過廣泛地搜索多種序列數(shù)據(jù)庫(kù),發(fā)現(xiàn)顯著的D14/KAI2同源序列僅分布于輪藻、陸生植物和細(xì)菌當(dāng)中。進(jìn)一步的系統(tǒng)發(fā)育分析表明,植物D14/KAI2基因家族最可能是在輪藻與陸生植物的共同祖先階段,通過水平基因轉(zhuǎn)移從變形菌門細(xì)菌處獲得的(圖1A)。細(xì)菌中的同源蛋白RsbQ也屬α/β折疊水解酶家族成員,能調(diào)控σB轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的脅迫反應(yīng)。RsbQ具有酯酶的典型結(jié)構(gòu),且行使功能需要一個(gè)完整的催化三聯(lián)體,表明它能夠水解其配體。植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ不僅在三維空間結(jié)構(gòu)上整體相似,一些關(guān)鍵的特征結(jié)構(gòu)和功能位點(diǎn)也高度保守(圖1B)。這表明,從細(xì)菌RsbQ到植物D14/KAI2的水平基因轉(zhuǎn)移過程中,一些重要的生化特性可能會(huì)在一定程度上被保留下來。D14/KAI2RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的比較分析,也顯示二者間存在諸多相似之處(圖2)。 

   細(xì)菌RsbQ基因的水平轉(zhuǎn)移,可能直接賦予植物水解其內(nèi)源或根際微生物丁烯酸內(nèi)酯(或類似酯類分子)的代謝功能,以及通過蛋白構(gòu)象變化識(shí)別配體這一重要機(jī)制。植物隨后通過招募MAX2以及SMXL家族作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件,形成了功能多樣的丁烯酸內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)育分析還顯示,植物中編碼獨(dú)腳金內(nèi)酯合成關(guān)鍵酶D27CCD7CCD8的基因家族都是通過細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移(Intracellular Gene Transfer, IGT)最初起源于藍(lán)細(xì)菌共生體(即質(zhì)體前身),隨后經(jīng)基因復(fù)制及新功能化被整合到獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑當(dāng)中。這表明,獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)是由不同來源的基因(包括HGT、IGT和垂直傳遞)經(jīng)功能演化后嵌合形成的(圖3)。 

   D14/KAI2RsbQ之間的進(jìn)化關(guān)聯(lián)及其保守性可能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新思路。例如,獨(dú)腳金內(nèi)酯和karrikins的結(jié)構(gòu)特征可以為細(xì)菌RsbQ配體的鑒定提供有價(jià)值的線索,而RsbQ則可能成為尋找植物KAI2內(nèi)源配體的新工具。 

   相關(guān)研究成果以“Origins of strigolactone and karrikin signaling in plants”為題,近日在線發(fā)表于國(guó)際著名期刊Trends in Plant Science。昆明植物研究所王洽博士為論文第一作者,黃錦嶺研究員與澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Steven M. Smith教授為論文的通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院西部之光人才培養(yǎng)計(jì)劃、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)、青藏高原二次科考,以及澳大利亞研究理事會(huì)卓越中心等基金項(xiàng)目的支持。 

  文章鏈接

 

1. 植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ的系統(tǒng)發(fā)育分析及蛋白結(jié)構(gòu)比對(duì) 

 

2. 植物D14/KAI2與細(xì)菌RsbQ信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的模型比較 

 

3. 植物獨(dú)腳金內(nèi)酯與karrikin信號(hào)系統(tǒng)中相關(guān)基因起源的示意圖 

(責(zé)任編輯:李雪)

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