近日，南方科技大學生命科學學院講席教授郭紅衛課題組在美國科學院院刊PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）發表了題為“EIN3 and RSL4 interfere with a MYB-bHLH-WD40 complex to mediate ethylene-induced ectopic root hair formation in Arabidopsis”的研究論文。該研究通過分子遺傳學、生物化學和細胞生物學等方法詳細闡明了乙烯調控擬南芥异比特根毛發生的分子機制。
根毛是根表皮細胞的管狀突起結構，在植物獲取水分和無機鹽以及協助植物和外界環境進行交流過程中起到重要作用。與根毛功能相對應的是，其發育過程受到多種內、外源因素的共同調控。在模式植物擬南芥中，內源發育程式以一種位置依賴的管道調控根表皮細胞的根毛命運分化：其中位於兩個皮層細胞間隙之上的表皮細胞（H cell）獲得根毛命運；而位於一個皮層細胞之上的表皮細胞（N cell）獲得非根毛命運（圖1左上）。但是，在一些營養缺乏等脅迫環境下N cell也會發育出根毛，這種根毛被稱為异比特根毛。乙烯作為重要的植物逆境響應激素，其中一個典型的生理效應就是促進擬南芥异比特根毛的發生，但是該現象背後的分子機制尚不清楚。研究乙烯調控擬南芥异比特根毛發生有助於我們深入理解植物是如何通過改變其內在發育模式來適應環境變化，同時為未來培育高效利用土壤營養元素的農作物提供重要的理論基礎。
圖1：圖中上方卡通圖片示意在空氣對照（左）和乙烯處理（右）下擬南芥根表皮的根毛發育模式。圖中下方是相應處理條件下野生型擬南芥（Col-0）根錶皮層的根毛分佈錶型圖。
郭紅衛課題組長期致力於氣體激素乙烯調控植物根毛發育的分子機制的研究。2011年，該課題組解析了乙烯和茉莉酸互作調控根毛發育的分子機制（Zhu et al，PNAS，2011）。2017年，課題組進一步揭示乙烯調控根毛伸長的具體分子機制（Feng et al，PNAS，2017）。在近期的研究成果中，該課題組成員首先證明了乙烯是通過啟動EIN3/EIL1（乙烯訊號覈心轉錄因數）降低根毛發生抑制因數GL2的轉錄水准從而誘導异比特根毛發生的。隨後，研究人員針對EIN3/EIL1抑制GL2轉錄分子機制展開研究。令人意外的是，雙螢光素酶實驗結果顯示EIN3對GL2啟動子具有啟動作用，這暗示EIN3抑制GL2的轉錄存在更加複雜的調控機制。考慮到在體內GL2轉錄主要受到WER-GL3-TTG1轉錄三元複合體的啟動，研究人員檢測EIN3對該轉錄複合體的功能影響。結果顯示EIN3會特异性抑制WER-GL3-TTG1對GL2轉錄啟動作用。進一步，研究人員證實EIN3蛋白可以和GL3蛋白競爭結合TTG1從而破壞WER-GL3-TTG1三元複合體的形成。有趣的是，研究人員還發現作為根毛伸長因數的RSL4也參與到乙烯調控异比特根毛發生過程，並且RSL4會以和EIN3類似的管道調控GL2轉錄。
綜上，本研究詳盡闡述了乙烯誘導擬南芥异比特根毛發生的分子機制。結合之前的研究成果，郭紅衛課題組系統性地描繪了乙烯調控擬南芥根毛從發生到伸長的分子機制。南方科技大學-哈爾濱工業大學聯合培養博士生裘喻平為該論文的第一作者，郭紅衛和南科大高級工程師王益川為論文共同通訊作者。南科大大學生陶然、訪問學者馮瑩、研究助理肖志娜、張丹、博士研究生彭暘以及工程師溫興也參與了本研究工作。該研究得到了國家自然科學基金、廣東省植物細胞工廠分子設計重點實驗室基金、深圳市科創委的資助。
論文連結：https://www.pnas.org/content/118/51/e2110004118.long