氣候變化所引起平均氣溫的上升有可能導致作物產量的大幅下降，危害糧食安全的同時也威脅著植物的多樣性。植物通過熱形態形成提高冷卻能力，以適應暖溫（warm temperatures）。研究表明植物激素（例如生長素和油菜素類固醇）是熱形態形成的關鍵調節劑，然而還有一種在各種應激反應中至關重要的植物激素-茉莉酸（JA），其是否以及如何影響溫度介導的熱形態形成機制仍不清楚。 2021年8月，來自比利時根特大學植物生物技術與生物信息學系Ive De Smet 團隊在Nature Communications（IF=14.912）上發表了題為《Warm temperature triggers JOX and ST2A-mediated jasmonate catabolism to promote plant growth》 的研究成果，該研究發現暖溫誘導茉莉酸（JA）代謝基因 JOXs 和 ST2A的表達，LC-MS靶向植物激素檢測表明植株內12HSO4-JA水平升高，茉莉酸（JA）活性形式JA-lle水平降低，最終導致JAZ蛋白的積累，促進植物在溫暖的溫度條件下生長。 【研究材料】 小麥幼苗，擬南芥幼苗 【技術方法】 靶向植物激素檢測 步驟1：暖溫條件下JA信號在小麥生長中的作用 步驟2：暖溫條件下JA信號參與調控熱形態形成機制 步驟3：JA分解代謝途徑參與調控暖溫下的熱形態形成機制 1. 暖溫條件下JA信號在小麥生長中的作用 研究人員發現過表達擬南芥或者小麥的JA生物合成關鍵酶基因OPR3，可輕微提高OPC4和JA水平，同時MeJA（JA甲酯）處理可逆轉暖溫下植株第二片葉的伸長，證明JA可抑制暖溫介導的小麥幼苗生長。為進一步探索茉莉酸信號在暖溫介導生長中的保守作用，研究人員接著關注擬南芥的下胚軸生長，這是熱形態發生的標志。研究發現MeJA處理在不同溫度條件下均會抑制下胚軸生長，但在較高的溫度下更加明顯，且具有劑量依賴性。 圖1 茉莉酸在熱形態發生中起作用（a-b, 小麥；c-d, 擬南芥） 2. 暖溫條件下JA信號參與調控熱形態形成機制 研究人員進一步檢查了28℃時，MeJA介導的下胚軸長度抑制是否需要核心JA信號成分，如COI1、JAZ和MYCs蛋白。研究發現coi1-21突變體、myc2 myc3 myc4突變體28°C時明顯長于野生型，且對于MeJA處理不敏感；過表達JAZ基因的株系下胚軸在28℃時同樣明顯長于野生型，但MeJA的處理可觸發JAZ的降解從而抑制下胚軸的伸長。最終表明JA信號傳導對暖溫下生長的抑制作用。 圖2 JA信號成分參與MeJA介導的下胚軸生長抑制 3. JA分解代謝途徑參與調控暖溫下的熱形態形成機制 由于JAZ蛋白的降解依賴于具有生物活性的JA—JA-Ile，研究人員推測暖溫會對JA的生物活性造成影響。比較分析發現高溫可導致擬南芥和小麥中JA-Ile水平的明顯降低，但大部分參與JA生物合成相關酶的表達水平沒有降低甚至出現上調。 圖3 JA分解代謝途徑受溫暖溫度的影響 接著研究人員重點關注控制生物活性JA-Ile水平的不同分解代謝過程，發現小麥中的12HSO4-JA水平強烈增加，參與調節12HSO4-JA的分解代謝過程的酶JOX和ST2A的表達在高溫下顯著上調，因此作者構建了JOX過表達株系、突變株系以及ST2A的突變株系，并觀察其在不同溫度時下胚軸長度，最終證明暖溫條件下器官的生長需要嚴格控制JA-Ile水平，并且主要是由JOX和ST2A介導的分解代謝調控。 小編小結
實驗路線圖
研究結果
該研究首次揭示了JA代謝調控的熱形態形成機制：暖溫下JA分解代謝的基因JOX和ST2A表達增加，嚴格控制著JA活性形式JA-lle水平，以調節JAZ蛋白水平并最終適應暖溫介導的生長。此外對JA在暖溫下調節熱形態形成的保守作用有助于確保氣候變化下的糧食安全。
Nat Commun | 茉莉酸代謝調控植物熱形態形成新機制研究
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-23T20:01 (訪問量:5021)
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