近日，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室玉米團隊楊芳教授課題組與美國冷泉港實驗室David Jackson教授及山東大學徐芳教授合作在Nature Plants在線發(fā)表了題為“Glutaredoxins regulate maize inflorescence meristem development via redox control of TGA transcriptional activity”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)玉米中三個同源“CC-type”谷氧還蛋白（Glutaredoxins, GRX）通過調節(jié)bZIP轉錄因子FEASCIATED EAR4 （FEA4）的氧化還原穩(wěn)態(tài)而影響其轉錄活性，進而調控幼穗花序分生組織的發(fā)育。這項研究揭示了玉米穗發(fā)育與形態(tài)建成中分子調控的新機制，也為ROS信號如何影響分生組織發(fā)育提供了新的見解。
玉米是重要的糧食作物，其產(chǎn)量受穗發(fā)育及形態(tài)建成的影響，研究調控此過程的關鍵基因及其作用機制具有重要的科學意義。植物分生組織發(fā)育過程中，維持細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)對干細胞命運至關重要，此過程涉及一些關鍵基因功能的精細調控。谷氧還蛋白 （GRX） 可通過氧化還原和谷胱甘肽化修飾調控其靶蛋白的功能。然而，目前對GRX直接參與調控分生組織發(fā)育和活性的作用機理還知之甚少。
圖1. MSCA1及其同源基因正向調控分生組織發(fā)育和穗形態(tài)建成
楊芳教授課題組與David Jackson教授及徐芳教授近期研究了玉米谷氧還蛋白MSCA1及其兩個同源基因 （ZmGRX2、ZmGRX5） 調控穗發(fā)育的分子機制。三個同源基因存在較強的功能冗余，三突變體表現(xiàn)出花序分生組織活性顯著降低，小穗發(fā)育與分化受阻，進而導致玉米單穗籽粒數(shù)顯著下降（圖1）。研究表明三個GRX蛋白的直接靶蛋白是一個負向調控花序分生組織發(fā)育的關鍵bZIP轉錄因子FEA4 （圖2）。系列生化實驗表明MSCA1可以作為電子供體直接還原FEA4，破壞其分子間二硫鍵，改變其單體/二聚體的平衡狀態(tài)。更重要的是，三個GRX蛋白對FEA4的修飾直接影響了FEA4體內(nèi)結合DNA的能力及其調控下游基因轉錄的能力。該研究成果揭示了三個GRX蛋白直接參與調控玉米花序分生組織發(fā)育的重要過程，闡明了其在穗發(fā)育和形態(tài)建成中的調控機制，并以嶄新的視角探索了玉米穗發(fā)育過程中關鍵調控因子的氧化還原態(tài)變化對維持分生組織的活性的重要作用。研究成果既具有創(chuàng)新性，也為玉米穗型改良和高產(chǎn)分子育種提供了理論指導。
圖2. 玉米三個GRX蛋白通過精細調控靶蛋白FEA4的氧化還原狀態(tài)促進穗發(fā)育與形態(tài)建成
我校植物科學技術學院博士研究生楊若書、山東大學生命科學院徐芳教授為文章的共同第一作者，我校植物科學技術學院楊芳教授和美國冷泉港實驗室教授David Jackson為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、作物遺傳改良國家重點實驗室自主課題和華中農(nóng)業(yè)大學自主科技創(chuàng)新基金等項目資助。
【英文摘要】
Glutaredoxins （GRXs） are small oxidoreductases that can modify target protein activities through control of the redox （reduction/oxidation） state by reducing or glutathionylating disulfide bridges. Although CC-type GRXs are plant specific and play important roles in many processes, the mechanisms by which they modulate the activity of target proteins in vivo are unknown. In this study, we show that a maize CC-type GRX, MALE STERILE ConVERTED ANTHER1 （MSCA1）， acts redundantly with two paralogues, ZmGRX2 and ZmGRX5, to modify the redox state and the activity of its putative target, the TGA transcription factor FASCIATED EAR4 （FEA4） that acts as a negative regulator of inflorescence meristem development. We used CRISPR–Cas9 to create a GRX triple knockout, resulting in severe suppression of meristem, ear and tassel growth and reduced plant height. We further show that GRXs regulate the redox state, DNA accessibility and transcriptional activities of FEA4, which acts downstream of MSCA1 and its paralogues to control inflorescence development. Our findings reveal the function of GRXs in meristem development, and also provide direct evidence for GRX-mediated redox modification of target proteins in plants.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01029-2
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