青島能源所揭示禾本科重要能飼草柳枝稷莖稈發(fā)育調控新機制
禾本科能源草與牧草的地上部營(yíng)養體產(chǎn)量主要由分蘗數目和單個(gè)分蘗的生物量決定。然而分蘗過(guò)多會(huì )出現植株變矮,莖稈變細等不利表型。類(lèi)似現象在miR156過(guò)量表達的禾本科能飼草柳枝稷中也存在,從而使miR156-SPL模塊在進(jìn)一步提高能飼草生物量的應用中受到限制。針對miR156-SPL模塊這種一因多效的特點(diǎn),青島能源所能源作物分子育種研究組首先闡明了miR156-SPL模塊調控獨腳金內酯途徑影響柳枝稷分蘗形成的機理(New Phytologist,2022)。近日,研究團隊又解析了miR156-SPL模塊調控細胞分裂素代謝影響柳枝稷莖稈發(fā)育的作用機制,并利用該機制實(shí)現了植物株型的分子設計,克服了miR156-SPL模塊一因多效對能飼草生物量形成的不利影響。相關(guān)研究成果以“miR156-PvSPL2 controls culm development by transcriptional repression of switchgrassCYTOKININOXIDASE/DEHYDROGENASE4”為題,發(fā)表在植物學(xué)經(jīng)典雜志《The Plant Journal》上。
研究發(fā)現,miR156在柳枝稷中過(guò)量表達后,會(huì )導致細胞分裂素氧化酶基因PvCKX4發(fā)生顯著(zhù)上調。而PvCKX4過(guò)量表達的柳枝稷與miR156過(guò)量表達的柳枝稷均出現植株矮化和莖稈變細的現象,且iP類(lèi)型的細胞分裂素含量降低。另外,體外酶活與體內激素測定證明iP類(lèi)細胞分裂素的降解主要由PvCKX4導致。進(jìn)一步研究發(fā)現,miR156靶標PvSPL2可以直接結合PvCKX4的啟動(dòng)子序列,并抑制其表達。因此作者推測miR156過(guò)量表達導致PvSPL2表達下降后,會(huì )解除PvSPL2對其靶基因PvCKX4的轉錄抑制,使PvCKX4的表達水平升高,從而造成iP類(lèi)細胞分裂素含量的降低,限制了柳枝稷莖稈的發(fā)育。最后,作者通過(guò)RNAi技術(shù),在miR156過(guò)量表達的多分蘗表型植株中,控制溢出的PvCKX4表達水平,實(shí)現了分蘗數目與莖稈發(fā)育的雙重正向調控,獲得了生物量提高2.1倍的柳枝稷種質(zhì)新資源(圖1)。該研究為高生物量能源草和牧草理想株型的分子設計提供了重要的理論指導。
圖1 miR156-SPL參與柳枝稷莖稈發(fā)育的分子調控機制與株型設計
青島能源所博士后楊瑞娟、副研究員吳振映與揚州大學(xué)聯(lián)合培養博士生孫瀅為該論文的共同第一作者,付春祥研究員和劉文文副研究員為共同通訊作者,青島能源所劉亞君研究員、揚州大學(xué)王小山副教授等科研人員也參與了該研究。該工作獲得國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和山東能源研究院的項目支持。(文/圖 楊瑞娟)
文章鏈接:http://doi.org/10.1111/tpj.16728
Yang,Ruijuan;Wu,Zhenying;Su,Ying;Liu,Yuchen;Hang,Yuqing;Liu,Min;Liu,Yajun;Wang,Xiaoshan;Liu,Wen;Fu,Chunxiang.?miR156-PvSPL2 controls culm development by transcriptional repression of switchgrassCYTOKININOXIDASE/DEHYDROGENASE4. Plant journal. 2024.
相關(guān)論文和授權專(zhuān)利:
1、付春祥;楊瑞娟;劉文文;吳振映;孫瀅;王亞梅;姜珊珊;?PvCKX4及miR156-SPL-CKX4分子模塊在柳枝稷性狀改良上的應用,2023-6-16,中國,ZL202211547738.0
2、付春祥;王亞梅;劉文文;楊瑞娟;白史且;姜珊珊;?柳枝稷SBP-box類(lèi)轉錄因子PvSPL6的應用及其重組載體,2023-6-2,中國,ZL202111671083.3
3、Chunxiang Fu;Yamei Wang;Wenwen Liu;Zhenying Wu;Shiqie Bai;Chuan'en Zhou;Ruijuan Yang;Shanshan Jiang;Mengqi Wang;?PANICUMVIRGATUM SOSEKIPROTEINSOK2,CODING GENE ANDAPPLICATIONTHEREOF,2024-2-13,美國,US 11897923 B2
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