油菜素內(nèi)酯（BR）調(diào)控棉花纖維伸長(zhǎng)新機(jī)制
棉花是世界上最重要的天然纖維作物，棉纖維細(xì)胞是植物中最長(zhǎng)的單細(xì)胞之一，為研究細(xì)胞伸長(zhǎng)提供了理想的模型。油菜素內(nèi)酯（BR）在調(diào)節(jié)纖維伸長(zhǎng)方面發(fā)揮重要作用，并且BR在棉花生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。超長(zhǎng)鏈脂肪酸（VLCFA）是細(xì)胞內(nèi)含有20個(gè)碳及以上的脂肪酸，體外添加VLCFA能夠促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)。但BR和VLCFA在調(diào)控纖維伸長(zhǎng)方面的關(guān)系及其作用機(jī)制尚不清楚。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所李付廣團(tuán)隊(duì)前期使用DNA親和純化測(cè)序(DAP-seq)技術(shù)鑒定了陸地棉中BR信號(hào)通路核心轉(zhuǎn)錄因子GhBES1.4的靶基因，并通過多組學(xué)聯(lián)合分析構(gòu)建了GhBES1.4介導(dǎo)的BR調(diào)控棉纖維伸長(zhǎng)的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。DAP-seq結(jié)果顯示，GhKCSs家族的一些成員是GhBES1.4的靶基因。進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，GhKCSs家族中的5個(gè)基因在GhBES1.4-OE和GhBES1.4-RNAi棉花材料中表現(xiàn)出表達(dá)量的顯著改變（Plant Physiology, kiac590, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac590）。
該團(tuán)隊(duì)的最新研究成果闡明了GhBES1.4通過調(diào)控GhKCS10_At的表達(dá)，參與棉纖維伸長(zhǎng)的分子機(jī)制。該成果于2023年3月2日發(fā)表在Plant Cell（IF=12.085）上，題為“Brassinosteroids regulate cotton fiber elongation by modulating very-long-chain fatty acid biosynthesis”。該研究揭示了BR通過調(diào)控棉花纖維內(nèi)源VLCFA的合成，調(diào)節(jié)纖維伸長(zhǎng)的分子機(jī)制，闡明了BR和VLCFA在調(diào)控纖維伸長(zhǎng)方面的關(guān)系及其分子機(jī)理，對(duì)棉花纖維品質(zhì)的遺傳改良具有指導(dǎo)意義。
首先，通過檢測(cè)BR功能缺失型突變體pag1纖維中VLCFA含量，發(fā)現(xiàn)BR缺失造成VLCFA含量下降，并且VLCFA合成途徑關(guān)鍵限速酶GhKCSs家族中多個(gè)成員在pag1纖維中表達(dá)量下調(diào)，其中GhKCS10_At下調(diào)最顯著。胚珠離體培養(yǎng)表明BR位于VLCFA的上游發(fā)揮作用。該團(tuán)隊(duì)之前的研究已經(jīng)證明GhBES1.4是BR信號(hào)通路核心轉(zhuǎn)錄因子（Plant Physiology, kiac590, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac590），于是創(chuàng)制了GhBES1.4以及GhKCS10_At過表達(dá)和RNAi沉默的棉花材料，發(fā)現(xiàn)GhBES1.4和GhKCS10_At均通過提高纖維中VLCFA含量促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)。
圖1. GhKCS10_At是GhBES1.4的直接靶基因
EMSA、Bio-layer interferometry、ChIP、Luc實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GhBES1.4能夠結(jié)合到GhKCS10_At基因啟動(dòng)子區(qū)域的BBRE元件上，這些結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了DAP-seq的結(jié)論。
體內(nèi)外一系列生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)GhBES1.4可以結(jié)合到GhKCS10_At啟動(dòng)子區(qū)域的BR響應(yīng)元件（BRREs）上，進(jìn)而調(diào)控GhKCS10_At表達(dá)，表明GhKCS10_At是GhBES1.4的靶基因。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了GhKCS10_At位于GhBES1.4的下游。綜上所述，該研究闡明了BR通過其核心轉(zhuǎn)錄因子GhBES1調(diào)控GhKCSs介導(dǎo)的VLCFA的合成，最終促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)的分子機(jī)制。研究結(jié)果為解析BR調(diào)控棉花纖維伸長(zhǎng)機(jī)制提供了新思路。
圖2. BR通過影響VLCFA合成調(diào)控棉纖維伸長(zhǎng)的模型
在BR存在的情況下，BR信號(hào)通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GhBES1移動(dòng)到細(xì)胞核，直接與GhKCSs的BRRE結(jié)合并激活其表達(dá)。編碼VLCFAs生物合成限速酶GhKCSs的高表達(dá)，增加內(nèi)源性VLCFAs含量，進(jìn)而促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)。
原文鏈接：
1. Liu L, Chen G, Li S, Gu Y, Lu L, Qanmber G, Mendu V, Liu Z, Li F, Yang Z., A brassinosteroid transcriptional regulatory network participates in regulating fiber elongation in cotton, Plant Physiology, 2022; kiac590, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac590
2. Yang Z, Liu Z, Ge X, Lu L, Qin W, Qanmber G, Liu L, Wang Z, Li F, Brassinosteroids regulate cotton fiber elongation by modulating very-long-chain fatty acid biosynthesis, The Plant Cell, 2023; koad060, https://doi.org/10.1093/plcell/koad060
