西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院王曉峰教授團(tuán)隊(duì)近日在《The Plant Cell》期刊發(fā)表了題為Brassinosteroid Receptor StBRI1 Promotes Tuber Development by Enhancing Plasma Membrane H+-ATPase Activity in Potato的研究論文，揭示了BR信號(hào)通過StBRI1-PM H+-ATPase（PHA2）單元模塊調(diào)控馬鈴薯塊莖形成的分子機(jī)制，這些結(jié)果對(duì)于馬鈴薯高產(chǎn)分子育種具有一定的理論價(jià)值。博士生鄧瑞和陜西省雜交油菜研究中心黃淑華副研究員為本論文共同第一作者，王曉峰教授為本論文通訊作者。

 

　　植物激素油菜素內(nèi)酯（BRs）廣泛存在于各類植物組織中，其關(guān)鍵作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)細(xì)胞的擴(kuò)展與分化過程以及種子形成等多個(gè)方面。BRI1是油菜素內(nèi)酯（BRs）的核心受體。它不僅是植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中不可或缺的一環(huán)，更具備直接感知BRs并相應(yīng)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)與發(fā)育的能力。

 

　　馬鈴薯（Solanum tuberosum）作為茄科茄屬的一年生草本植物，是全球13億人的主糧。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，外源性應(yīng)用油菜素內(nèi)酯（BRs）已被證實(shí)能有效提升馬鈴薯的塊莖數(shù)量以及單株產(chǎn)量，從而提高馬鈴薯總產(chǎn)量。然而，BR信號(hào)如何調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的分子機(jī)制依然不清楚。此外，植物中的PM H+-ATPase活性亦受到多種因素的影響。目前關(guān)于BR信號(hào)如何調(diào)節(jié)PM H+-ATPase磷酸化水平的具體成分知之甚少。也缺乏足夠的證據(jù)來(lái)證實(shí)BRI1是否通過磷酸化修飾精確調(diào)節(jié)PM H+-ATPase的活性。

 

　　該研究以馬鈴薯為研究對(duì)象，敲除馬鈴薯StBRI1會(huì)阻礙馬鈴薯塊莖形成。為了驗(yàn)證StBRI1在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育中的作用，利用35S啟動(dòng)子控制StBRI1表達(dá)。轉(zhuǎn)基因植株比野生型植株具有更高的植物高度和節(jié)間長(zhǎng)度，塊莖數(shù)量和塊莖產(chǎn)量顯著增加。此外，通過融合B33塊莖特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)StBRI1（ProB33:StBRI1-GUS），發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株的塊莖產(chǎn)量也顯著增加，塊莖數(shù)量也高于野生型。研究表明，StBRI1通過增加塊莖數(shù)量、重量和細(xì)胞大小等多種方式正向調(diào)節(jié)馬鈴薯塊莖發(fā)育。

 

　　結(jié)合遺傳證據(jù)，使用雙轉(zhuǎn)基因株系Co-IP分析和PM H+-ATPase活性測(cè)定以及一系列生化實(shí)驗(yàn)表明，StBRI1與PHA2的C末端相互作用，這抑制了PHA2 C端與PHA2中央環(huán)之間的分子內(nèi)互作，從而減弱了PM H+-ATPase活性的自抑制，導(dǎo)致PHA2活性增加，并且PHA2可能處于StBRI1的下游發(fā)揮功能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PHA2在馬鈴薯過表達(dá)PHA2可增加塊莖重量、淀粉含量和細(xì)胞面積，而抑制PHA2表達(dá)則降低這些指標(biāo)。將PHA2的Thr-951殘基分別突變?yōu)槟M磷酸化形式（D）和非磷酸化形式（A），并構(gòu)建了35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的PHA2-T951A和PHA2-T951D轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株。發(fā)現(xiàn)，StBRI1和PHA2與細(xì)胞生長(zhǎng)和質(zhì)子泵的活性密切相關(guān)。

 

　　總之，在BR存在的情況下，活化的StBRI1通過磷酸化質(zhì)子泵C末端的倒數(shù)第二個(gè)Thr-951殘基抑制其內(nèi)部分子間互作。結(jié)果，質(zhì)子泵被激活，促進(jìn)了BR介導(dǎo)的細(xì)胞擴(kuò)展和塊莖發(fā)育，從而提高塊莖產(chǎn)量。研究的結(jié)果表明：BR-StBRI1-PHA2模塊調(diào)節(jié)塊莖發(fā)育，表明通過基于細(xì)胞表面BR信號(hào)通路的策略來(lái)改善塊莖作物生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量具有一定的應(yīng)用前景。

 

　　該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae163