華中農(nóng)業(yè)大學揭示水稻根系發(fā)育調(diào)控的新機制
2024年01月17日來源：華中農(nóng)業(yè)大學
冠根（不定根）是禾谷類作物根系的主要組成部分，闡明其形成機制有助于提高作物對水分、礦質(zhì)離子的吸收和環(huán)境適應性，從而進一步提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。WOX11是華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室趙毓教授團隊2009年鑒定到的調(diào)控水稻冠根發(fā)育的關鍵因子（Zhao et al., Plant Cell, 2009）。經(jīng)過十多年的努力，該團隊系統(tǒng)地解析了WOX11調(diào)控冠根發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡（Zhao et al., Plant Cell, 2015; Cheng et al., Plant Signal Behav, 2016; Jiang et al., J Exp Bot, 2017; Zhou et al., Plant Cell, 2017; Cheng et al., Nucleic Acids Res, 2018; Zhang et al., Plant Cell Physiol, 2020; Xu et al., J. Adv. Res., 2023; Xu et al., Plant Physiol, 2023; Geng et al., New Phytol., 2023），為進一步利用WOX11改良水稻根系，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻種質(zhì)資源奠定了堅實的分子基礎。
2024年1月8日，該課題組在國際植物學領域著名期刊The Plant Cell上在線發(fā)表了題為“Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice”的研究論文，進一步揭示了WOX11-JMJ706-LBD16模塊調(diào)控水稻冠根發(fā)育的反饋機制。
在本研究中，通過遺傳學、生物化學和細胞生物學方法聯(lián)合分析，作者發(fā)現(xiàn)植物特有的轉(zhuǎn)錄因子LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN （LBD）家族蛋白LBD16是水稻冠根發(fā)育調(diào)控的變阻器。在水稻冠根發(fā)育過程中WOX11能夠招募組蛋白H3K9去甲基化酶JMJ706，去除其下游靶基因LBD16上的H3K9me2修飾，從而激活LBD16的表達。有意思的是，超量表達LBD16并不能改變水稻冠根發(fā)育的表型。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當冠根原基中LBD16被激活表達后處于高豐度時，LBD16就會競爭掉JMJ706而與WOX11相互作用，使其基因座上的H3K9me2增加，導致WOX11對LBD16的激活作用被解除，LBD16蛋白相應地減少；隨著冠根原基中LBD16的減少，此時JMJ706與 WOX11 相互作用就逐漸加強，再一次促進了WOX11對LBD16激活。在水稻冠根的生長過程中WOX11-JMJ706-LBD16形成了一個動態(tài)的反饋調(diào)節(jié)機制，讓LBD16始終維持在適當?shù)谋磉_水平，以保證水稻冠根正常生長。該研究揭示了水稻冠根發(fā)育調(diào)控的動態(tài)反饋機制，為水稻根系改良分子育種提供了新的靶點和思路。同時也為理解水稻冠根發(fā)育的調(diào)控機制提供了新的視角。
長期以來，趙毓教授團隊圍繞水稻發(fā)育生物學和環(huán)境適應性開展了系列研究，先后鑒定了一系列調(diào)控水稻根和莖頂端分生組織活性維持的關鍵基因并深入解析了其細胞和遺傳機制，獲得了一系列原創(chuàng)性研究成果，對理解植物不定根發(fā)育、莖頂端分生組織維持和胚胎形成的分子機制有重要意義。該團隊在Nature Communications、The Plant Cell、EMBO Journal、Nucleic Acids Research等雜志發(fā)表研究論文40余篇，論文引近5000次。該研究工作也是趙毓教授團隊取得的又一重要成果。
華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室趙毓教授為該論文通訊作者，生命科學技術學院已畢業(yè)耿樂萍博士為論文第一作者，周道繡教授和練興明教授對該研究提供了指導和幫助，張婷博士、博士研究生檀明芳和汪奕頡、碩士生鄧啟玉、胡曉松、葉淼淼也參與了本研究部分工作。本研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費等項目的資助。
英文摘要：
Crown roots are the main components of root systems in cereals. Elucidating the mechanisms of crown root formation is instrumental for improving nutrient absorption, stress tolerance, and yield in cereal crops. Several members of the WUSCHEL-related homeobox （WOX） and lateral organ boundaries domain （LBD） transcription factor families play essential roles in controlling crown root development in rice （Oryza sativa）。 However, the functional relationships among these transcription factors in regulating genes involved in crown root development remain unclear. Here, we identified LBD16 as an additional regulator of rice crown root development. We showed that LBD16 is a direct downstream target of WOX11, a key crown root development regulator in rice. Our results indicated that WOX11 enhances LBD16 transcription by binding to its promoter and recruiting its interaction partner JMJ706, a demethylase that removes histone H3 lysine 9 dimethylation （H3K9me2） from the LBD16 locus. In addition, we established that LBD16 interacts with WOX11, thereby impairing JMJ706–WOX11 complex formation and repressing its own transcriptional activity. Together, our results reveal a feedback system regulating genes that orchestrate crown root development in rice, in which LBD16 acts as a molecular rheostat.
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