上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院尹若賀研究組發(fā)現(xiàn)番茄響應(yīng)紫外光UV-B新機(jī)制

　　番茄是一種重要的園藝作物，也是研究光形態(tài)建成的一種模式植物。目前設(shè)施栽培是我國番茄栽培的主要形式。設(shè)施栽培中光照對壯苗和番茄品質(zhì)等具有重要影響。紫外光UV-B（280~315 nm）是太陽光中的一個有機(jī)組成部分。低劑量的UV-B作為一種環(huán)境信號被植物光受體UVR8蛋白感知，通過光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控植物的生長發(fā)育、次生代謝和對環(huán)境逆境的適應(yīng)性（Yin and Ulm, 2017; Liang et al., 2019; Podolec et al., 2021）。而強(qiáng)UV-B能夠破壞植物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子，引起逆境脅迫反應(yīng)（Shi and Liu, 2021）。光受體UVR8的突變體在模擬自然環(huán)境條件下的生長發(fā)育表現(xiàn)較野生型差，表明了UVR8介導(dǎo)的光信號通路對與植物適應(yīng)環(huán)境具有重要的作用 （Favory et al., 2009）。研究發(fā)現(xiàn)光受體UVR8通過調(diào)控大量基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)變化行使其生理學(xué)功能（Qian et al., 2020）。在UVR8信號通路上目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個轉(zhuǎn)錄因子參與基因表達(dá)調(diào)控，其中轉(zhuǎn)錄因子HY5具有非常重要的作用（Brown et al., 2005）。然而紫外光如何激活HY5基因轉(zhuǎn)錄以及HY5轉(zhuǎn)錄動態(tài)變化的調(diào)控機(jī)理都不十分清楚。

 

　　2022年2月21日，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院尹若賀課題組在The Plant Cell雜志發(fā)表了題為“Activation and negative feedback regulation of SlHY5 transcription by the SlBBX20/21–SlHY5 transcription factor module in UV-B signaling”的研究論文，揭示了在紫外光UV-B的處理下，番茄轉(zhuǎn)錄因子模塊BBX20/21-HY5激活HY5基因轉(zhuǎn)錄，而過量積累的HY5蛋白抑制自身基因轉(zhuǎn)錄，形成自身負(fù)反饋環(huán)，維持體內(nèi)HY5的水平，調(diào)節(jié)番茄的光形態(tài)建成（Yang et al., 2022）。

 

　　前人研究發(fā)現(xiàn)HY5蛋白是光信號激活HY5基因表達(dá)所必不可少的一個元件（Binkert et al., 2014）。然而HY5蛋白缺少轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，尚需要未知的輔助蛋白協(xié)同轉(zhuǎn)錄激活靶基因。在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在番茄bbx20 bbx21雙突變以及hy5單突變體內(nèi)紫外光激活HY5基因表達(dá)的能力顯著下降。通過遺傳和生化實(shí)驗(yàn)證明轉(zhuǎn)錄因子BBX20/BBX21和HY5相互作用，以相互依賴的方式激活HY5基因轉(zhuǎn)錄。然而在過表達(dá)BBX20或BBX21的番茄材料中，紫外光激活HY5基因表達(dá)能力反而較野生型明顯下降，暗示存在一個負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制。通過一系列蛋白-DNA結(jié)合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子BBX20/21和HY5都結(jié)合在HY5基因啟動子的同一個順式作用元件上。在體外，HY5比BBX20蛋白具有更強(qiáng)結(jié)合HY5基因啟動子的能力，在番茄體內(nèi)紫外光處理引起HY5在自身基因啟動子上進(jìn)一步富集，并抑制BBX20蛋白與HY5啟動子的結(jié)合。最后，在野生型AC（Ailsa Craig）番茄背景下過表達(dá)外源HY5能夠顯著抑制內(nèi)源HY5的轉(zhuǎn)錄水平。通過這些主要實(shí)驗(yàn)證實(shí)了轉(zhuǎn)錄因子模塊BBX20/21–HY5轉(zhuǎn)錄激活HY5，而過量積累的HY5蛋白通過和其協(xié)同作用蛋白BBX20/21競爭結(jié)合自身基因啟動子，抑制HY5基因轉(zhuǎn)錄，形成一個自身負(fù)反饋調(diào)控環(huán)，從而維持適當(dāng)?shù)腍Y5表達(dá)水平（圖一）。對野生型番茄進(jìn)行不同時間長度的紫外光處理，發(fā)現(xiàn)HY5的轉(zhuǎn)錄水平確實(shí)是被紫外光瞬時激活，然后快速降低，表明HY5的自身負(fù)反饋調(diào)控具有重要的生理學(xué)意義。

 

　　實(shí)驗(yàn)室在前期研究中發(fā)現(xiàn)光受體UVR8能夠在紫外光的處理下激活RUP基因（擬南芥RUP1/2的同源基因）的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，而RUP通過調(diào)控光受體UVR8的二體/單體構(gòu)象變化，抑制光受體的功能，形成另外一個負(fù)反饋調(diào)控環(huán)（Zhang et al., 2021）。在本研究中，利用番茄rup突變體，研究人員發(fā)現(xiàn)RUP負(fù)調(diào)控環(huán)只在早期抑制HY5的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，而后期的負(fù)調(diào)控主要由HY5蛋白自身調(diào)節(jié)。因此，在光受體UVR8信號通路上存在至少兩個不同的負(fù)反饋環(huán)，分別在光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期和晚期發(fā)揮作用，平衡植物對紫外光UV-B的響應(yīng)（圖一）。

 

　　圖一、轉(zhuǎn)錄因子模塊BBX20/21-HY5激活并反饋抑制HY5基因轉(zhuǎn)錄的模式圖。

 

　　綜上，該研究以園藝作物番茄為材料系統(tǒng)深入地解析了紫外光瞬時誘導(dǎo)HY5轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制，進(jìn)一步拓展了UV-B轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為設(shè)施園藝植物響應(yīng)光環(huán)境信號提供了新的理論支撐。上海交通大學(xué)博士后楊國騫為論文第一作者，尹若賀副教授為論文通訊作者。實(shí)驗(yàn)室助理研究員林麗博士、張春麗博士，博士后方芳，已畢業(yè)碩士研究生董華茜、劉小瑞等都做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)者等項(xiàng)目資助。

 

　　參考文獻(xiàn)：

 

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　　2. Brown, B.A., Cloix, C., Jiang, G.H., Kaiserli, E., Herzyk, P., Kliebenstein, D.J., and Jenkins, G.I. （2005）。 A UV-B-specific signaling component orchestrates plant UV protection. Proc Natl Acad Sci U S A 102, 18225-18230.

 

　　3. Favory, J.J., Stec, A., Gruber, H., Rizzini, L., Oravecz, A., Funk, M., Albert, A., Cloix, C., Jenkins, G.I., Oakeley, E.J., Seidlitz, H.K., Nagy, F., and Ulm, R. （2009）。 Interaction of COP1 and UVR8 regulates UV-B-induced photomorphogenesis and stress acclimation in Arabidopsis. EMBO J 28, 591-601.

 

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　　9.Yin, R., and Ulm, R. （2017）。 How plants cope with UV-B: from perception to response. Curr Opin Plant Biol 37, 42-48.

 

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