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Plant Journal | 拟南芥成花转变调控新机制

花匠小妙招
2024-11-07 17:03

撰文 | SHR

编辑 | 逸云

成花转变（floral transition）是开花植物关键的发育过程并且与后代繁殖直接相关。成花转变受到自身和环境因素的调控。最近研究表明，春化、光周期等信号可以调节拟南芥成花转变过程。其中光周期涉及植物对日照长度及昼夜节律变化的响应，是最为重要的成花转变调控因子。此外，研究表明CONSTANS（CO）蛋白可以在转录和翻译后水平上调控开花。CO蛋白可以和开花基因FLOWERING LOCUS T（FT）的启动子形成复合体从而诱导其在短日照条件下韧皮部细胞表达；CO还可以激活与开花信号有关基因如淀粉合酶GBSS的表达【1,2】。

磷酸化和泛素化过程在CO蛋白稳定性中发挥重要作用，CO蛋白对翻译后修饰特别敏感。RING finger-E3泛素蛋白连接酶COP1（CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1）和HOS1（HIGH EXPRESSION OF OSMOTICALLY RESPONSIVE GENE 1）可以逐步调控夜间和清晨蛋白酶体介导的CO降解，从而使CO活性保留在长日照的夜晚。研究发现蓝光通过受体CRY2（Cryptochrome 2）影响COP1活性，而红光通过受体PHYB（Phytochrome B）影响HOS1活性，因此CO蛋白稳定性该过程还受到光信号影响【3,4】。动物中的研究发现FKBP12（FK506 Binding Protein 12 kD）可以结合并抑制phosphatase calcineurin，在翻译后修饰中发挥重要作用。最近在拟南芥中的研究发现FKBP12具有脯氨酰异构酶活性，能够将多肽链中脯氨酸残基的状态从顺式变为反式【5】。但是目前关于FKBP12在植物发育尤其是CO蛋白修饰过程中的作用尚不清楚。

近日，西班牙塞维利亚大学（Universidad de Sevilla）的Federico Valverde研究组在Plant Journal在线发表了一篇题为CONSTANS-FKBP12 interaction contributes to modulate photoperiodic flowering in Arabidopsis的研究论文，揭示了FKBP12参与CO蛋白的翻译后修饰从而调控开花的分子机制。

该研究首先通过基于酵母的SUS（Split-Ubiquitin-System）方法筛选到与CONSTANS结合的免疫亲和蛋白FKBP12，并进一步在植物体内证实了CO-FKBP12的直接相互作用。研究发现fkbp12突变体的开花时间显著延迟，而FKBP12过表达则开花提早，这种表型可能与FT蛋白积累的变化直接相关。fkbp12突变体和过表达植物的CO转录水平没有发生明显变化，但是KBP12过表达引起FT mRNA水平的高度增加，暗示了CO蛋白发生翻译后修饰。该研究还使用pETDuet-1载体在大肠杆菌中表达了FKBP12和CO两种蛋白，发现FKBP12蛋白的缺失对总细胞粗裂解物中的CO蛋白量没有影响，但是降低了可溶组分中的CO蛋白量，表明FKBP12可以增强CO溶解度。

Flowering signals associated with FKBP12 levels

此外，该研究还通过Y2H和BiFC分析发现FKBP12与CO的C端结构域强烈相互作用，但是与N端和中间结构域的相互作用非常弱，表明FKBP12-CO相互作用主要通过C端结构域发生。最后，该研究还发现莱茵衣藻同源蛋白CrCO和CrFKBP12也存在相互作用，说明FKBP12与CO之间的相互作用在植物中是非常保守的。

Molecular mechanism for CO-FKBP12 interaction

综上所述，该研究表明FKBP12可以与CO 的CCT结构域结合，从而阻止其被COP1降解，从而在转录后水平调节CO活性并促进开花。该研究揭示了在翻译后水平对CO活性调节机理，对理解和调控其他植物（如农作物）的开花时间提供了新的科研思路。

参考文献【1】Gnesutta, N., Kumimoto, R.W., Swain, S., Chiara, M., Siriwardana, C., Horner, D.S., Holt III, B.F., and Mantovani, R. (2017) CONSTANS Imparts DNA Sequence Specificity to the Histone Fold NF-YB/NF-YC Dimer. Plant Cell 29, 1516-1532 【2】Ortiz-Marchena, M.I., Albi, T., Lucas-Reina, E., Said, F.E., Romero-Campero, F.J., Cano, B., Ruiz, M.T., Romero, J.M. and Valverde, F. (2014) Photoperiodic control of carbon distribution during the floral transition in Arabidopsis. Plant Cell 26, 565-584. 【3】Valverde, F., Mouradov, A., Soppe, W., Ravenscroft, D., Samach, A. and Coupland, G. (2004) Photoreceptor regulation of CONSTANS protein in photoperiodic flowering. Science 303, 1003- 1006 【4】Lazaro, A., Mouriz, A., Pieiro, M. and Jarillo, J.A. (2015) Red light-mediated degradation of CONSTANS by the E3 ubiquitin ligase HOS1 regulates photoperiodic flowering in Arabidopsis. Plant Cell 27, 2437-2454 【5】Gollan, P.J., Bhave, M. and Aro, E.-M. (2012) The FKBP families of higher plants: Exploring the structures and functions of protein interaction specialists. FEBS Let. 586, 3539-3547.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14590