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谢芳研究组在合作研究硝酸盐抑制根瘤形成机制中取得新进展

日期:2022-03-24  访问次数:856

        2022年3月4日,国际植物学领域期刊New Phytologist在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室谢芳研究组与巴黎萨克雷大学/巴黎萨克雷植物科学研究所Florian Frugier教授研究组合作的题为“NLP1 directly controls expression of the peptide-encoding CEP1 gene in response to nitrate”的研究论文,揭示了蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)中MtNLP1转录因子通过与小肽编码基因MtCEP1启动子上的half NRE(hNRE)元件结合,从而介导硝酸盐抑制其表达的分子机制。

  氮(N)是植物所必须的营养元素之一。硝态氮不仅可以被植物直接吸收利用还可以作为重要的信号分子调控植物对氮素的响应、吸收、代谢相关基因的表达,从而影响植物的生长和发育。豆科植物可以通过与根瘤菌共生互作来获得生长所需的氮,但共生固氮是一个耗费植物能量的过程。当土壤中存在高浓度的氮素时,氮作为信号分子会影响共生固氮基因的功能从而抑制共生固氮过程。之前的研究表明,转录因子MtNLP1是硝态氮抑制结瘤的核心组分,通过调控局部和系统性途径抑制根瘤的形成。

  CEPs(C-terminally Encoded Peptides)编码一类小肽,在植物根部合成后被转运到地上部,通过与其受体结合,系统性的调控对氮素的吸收。CEPs基因的表达水平依赖于土壤中的氮素浓度,在低氮的条件下被诱导表达,而在高氮的条件下被抑制。然而其表达调控机制目前还不清楚。根据拟南芥中的研究报道,AtNLP7除了具有激活能力,还具有抑制功能。因此我们猜测蒺藜苜蓿MtNLP1可能参与了硝酸盐抑制CEPs基因的表达。

  首先,将合成的MtCEP1小肽分别添加于野生型和nlp1突变体中,分析MtCEP1小肽对结瘤的促进作用是否会受到影响。结果表明, MtCEP1小肽促进结瘤不依赖于MtNLP1,表明MtCEP1可能作用于MtNLP1下游。进一步通过转录水平分析证实,硝酸盐抑制CEP1基因的表达依赖于MtNLP1。利用地塞米松(DEX)诱导表达系统实验发现,MtNLP1能够抑制MtCEP1的表达。同样利用双荧光素酶报告基因检测系统的结果也表明MtNLP1可以抑制MtCEP1启动子对硝酸盐响应的活性。通过截短实验以及序列比对发现,CEP基因启动子的NRE(Nitrate Response Element)元件要短于受MtNLP1激活基因的NRE,因而命名该元件为hNRE(half NRE)。进一步研究发现CEP1基因启动子上的hNRE是NLP1结合所必须的,而且hNRE在拟南芥中的CEP基因启动子上也是保守存在的,暗示着这种调控不仅仅存在于豆科植物中。

  综上,该论文揭示了MtNLP1不仅可以作为转录激活因子激活MtCLE35基因的表达从而介导硝酸盐抑制结瘤,也可以作为抑制因子,通过与CEP1基因的启动子结合来抑制其表达,从而具备了双功能转录活性。同时,该研究也揭示了氮抑制CEP基因表达的机制。

  中科院分子植物科学卓越创新中心在读博士生罗振鹏为论文的第一作者,谢芳研究员与Florian Frugier教授为共同通讯作者,博士生Corentin Moreau以及王桨也参与了本研究。该研究得到了中科院先导专项,国家自然科学基金,法国Agence Nationale de la Recherche,Ecole Universitaire de Recherche项目的资助。

  原文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18062