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          分子植物科學卓越創新中心在植物根系發育響應硝酸鹽信號中取得新進展

          文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-05-10  |  【打印】 【關閉

            

            2022年3月9日,國際遺傳學期刊PLoS Genetics在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心光合與環境生物學實驗室蔡偉明研究組題為“The nitrate-inducible NAC transcription factor NAC056 controls nitrate assimilation and promotes lateral root growth in Arabidopsis thaliana”的研究論文,本文揭示了NAC轉錄因子家族成員NAC056感受環境硝酸鹽信號促進側根發育的調控新機制。

            氮素是植物生長發育的必需營養元素,在土壤中主要以硝酸鹽(Nitrate)的形式存在,并通過根系被植物吸收和利用。然而,土壤中硝酸鹽的可用性通常是有限的,并對植物的生長發育以及作物產量產生負面影響。為了應對這種情況,植物需要優化其根系結構(Root System Architecture)以最大限度地從土壤中獲取氮元素。

            硝酸鹽不僅是植物最主要的氮源,還作為信號分子激活一系列基因表達,觸發硝酸鹽應答反應,進而促進氮高效利用。硝酸鹽可通過調控基因表達來控制植物側根(LR)和根毛(RH)的生長發育。然而,長期以來硝酸鹽信號的分子機制卻不十分清楚,這也是制約全面理解硝酸鹽信號通路的核心問題。

            NAC(NAM、ATAF1、ATAF2和CUC2)轉錄因子家族是植物基因組中最大的轉錄因子家族之一,也是植物特有的轉錄因子。在多種陸生植物基因組中已經有超過100個成員被發現和鑒定。植物NAC轉錄因子具有多種功能,對植物的生長發育調控、植物的逆境脅迫應答、調控植物的抗病性、參與植物次生生長調控以及激素信號轉導等生理過程中具有重要作用。

            大數據研究表明,植物響應硝酸鹽信號的過程中有數千基因的表達發生了變化,并發現根細胞具有細胞類型特異性轉錄組圖譜。然而,是什么因子調控了硝酸鹽的響應時間和細胞類型特異性反應,并不十分清楚。通過檢測擬南芥根的主要細胞類型對硝酸鹽響應的時空轉錄組變化。我們鑒定了一種硝酸鹽誘導型 NAC 家族轉錄因子 (TF) NAC056,它能促進擬南芥中的硝酸鹽同化和根系生長。 NAC056是一種核定位轉錄激活因子,其主要在根系和下胚軸中表達。利用酵母單雜交試驗,我們鑒定了其結合DNA的特異性結合序列(NAC56BM),T[T/G/A] NCTTG。我們進一步發現nac056 突變體顯著地影響了側根對環境硝酸鹽信號的響應; 而NAC056過表達促進了植物側根的起始和根系對低硝酸鹽脅迫的耐受能力。通過轉錄組測序分析結合體外生化實驗,我們發現 NAC056 調節 NO3-同化所需基因的表達, 并直接靶向關鍵的硝酸鹽同化基因NIA1的表達。此外,NIA1基因的突變抑制35S::NAC056 轉基因植物的 LR 原基起始和對低硝酸鹽脅迫的耐受。因此,NAC056 介導植物對環境硝酸鹽信號的響應以促進擬南芥的根系生長。本課題的開展豐富了人們對硝酸鹽信號從轉錄水平上調控側根生長發育進程的認識。

            中科院分子植物科學卓越創新中心徐佩佩副研究員為第一作者和共同通訊作者,蔡偉明研究員為通訊作者,馬薇博士生和胡金波博士生也參與了該工作。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院先導專項和上海市科學基金等項目的資助。

            論文鏈接:https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010090

          圖1:側根發生過程中 Class III 亞家族 NAC 基因的表達分析

          圖2:nac056突變體的側根發育表型

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