华中农业大学揭示水稻根系发育调控的新机制
2024-01-17 10:18:28来源: 华中农业大学
冠根（不定根）是禾谷类作物根系的主要组成部分，阐明其形成机制有助于提高作物对水分、矿质离子的吸收和环境适应性，从而进一步提高作物的产量和品质。WOX11是华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室赵毓教授团队2009年鉴定到的调控水稻冠根发育的关键因子（Zhao et al., Plant Cell, 2009）。经过十多年的努力，该团队系统地解析了WOX11调控冠根发育的调控网络（Zhao et al., Plant Cell, 2015; Cheng et al., Plant Signal Behav, 2016; Jiang et al., J Exp Bot, 2017; Zhou et al., Plant Cell, 2017; Cheng et al., Nucleic Acids Res, 2018; Zhang et al., Plant Cell Physiol, 2020; Xu et al., J. Adv. Res., 2023; Xu et al., Plant Physiol, 2023; Geng et al., New Phytol., 2023），为进一步利用WOX11改良水稻根系，创建优质高产的水稻种质资源奠定了坚实的分子基础。
2024年1月8日，该课题组在国际植物学领域著名期刊The Plant Cell上在线发表了题为“Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice”的研究论文，进一步揭示了WOX11-JMJ706-LBD16模块调控水稻冠根发育的反馈机制。
在本研究中，通过遗传学、生物化学和细胞生物学方法联合分析，作者发现植物特有的转录因子LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN （LBD）家族蛋白LBD16是水稻冠根发育调控的变阻器。在水稻冠根发育过程中WOX11能够招募组蛋白H3K9去甲基化酶JMJ706，去除其下游靶基因LBD16上的H3K9me2修饰，从而激活LBD16的表达。有意思的是，超量表达LBD16并不能改变水稻冠根发育的表型。进一步研究发现，当冠根原基中LBD16被激活表达后处于高丰度时，LBD16就会竞争掉JMJ706而与WOX11相互作用，使其基因座上的H3K9me2增加，导致WOX11对LBD16的激活作用被解除，LBD16蛋白相应地减少；随着冠根原基中LBD16的减少，此时JMJ706与 WOX11 相互作用就逐渐加强，再一次促进了WOX11对LBD16激活。在水稻冠根的生长过程中WOX11-JMJ706-LBD16形成了一个动态的反馈调节机制，让LBD16始终维持在适当的表达水平，以保证水稻冠根正常生长。该研究揭示了水稻冠根发育调控的动态反馈机制，为水稻根系改良分子育种提供了新的靶点和思路。同时也为理解水稻冠根发育的调控机制提供了新的视角。
长期以来，赵毓教授团队围绕水稻发育生物学和环境适应性开展了系列研究，先后鉴定了一系列调控水稻根和茎顶端分生组织活性维持的关键基因并深入解析了其细胞和遗传机制，获得了一系列原创性研究成果，对理解植物不定根发育、茎顶端分生组织维持和胚胎形成的分子机制有重要意义。该团队在Nature Communications、The Plant Cell、EMBO Journal、Nucleic Acids Research等杂志发表研究论文40余篇，论文引近5000次。该研究工作也是赵毓教授团队取得的又一重要成果。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室赵毓教授为该论文通讯作者，生命科学技术学院已毕业耿乐萍博士为论文第一作者，周道绣教授和练兴明教授对该研究提供了指导和帮助，张婷博士、博士研究生檀明芳和汪奕颉、硕士生邓啟玉、胡晓松、叶淼淼也参与了本研究部分工作。本研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
英文摘要：
Crown roots are the main components of root systems in cereals. Elucidating the mechanisms of crown root formation is instrumental for improving nutrient absorption, stress tolerance, and yield in cereal crops. Several members of the WUSCHEL-related homeobox （WOX） and lateral organ boundaries domain （LBD） transcription factor families play essential roles in controlling crown root development in rice （Oryza sativa）。 However, the functional relationships among these transcription factors in regulating genes involved in crown root development remain unclear. Here, we identified LBD16 as an additional regulator of rice crown root development. We showed that LBD16 is a direct downstream target of WOX11, a key crown root development regulator in rice. Our results indicated that WOX11 enhances LBD16 transcription by binding to its promoter and recruiting its interaction partner JMJ706, a demethylase that removes histone H3 lysine 9 dimethylation （H3K9me2） from the LBD16 locus. In addition, we established that LBD16 interacts with WOX11, thereby impairing JMJ706–WOX11 complex formation and repressing its own transcriptional activity. Together, our results reveal a feedback system regulating genes that orchestrate crown root development in rice, in which LBD16 acts as a molecular rheostat.
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