光信号和独脚金内酯协同调控分蘖的机制获揭示

FHY3/FAR1通过下游靶基因SPL9/15调控植物分枝谢玉容图谱

4月23日，《自然通讯》在线发布了中国农业科学院生物技术研究所与华南农业大学的最新合作成果。科学家已经揭示了植物通过光敏色素信号通路和糙皮内酯信号通路的耦合来合作调节植物分枝或分蘖的分子机制。

如何通过光信号变化调节密植作物的避荫反应？

分枝数(分蘖数)是影响株型、产量和生物量的关键因素。然而，在密植条件下，植物间的相互遮荫会诱导植物的避荫反应，导致植物分枝(分蘖)数量急剧减少。例如，在密植条件下，水稻和小麦的分蘖数将受到抑制，从而影响单株产量。

避荫反应是一种综合症状，会影响作物的生长发育、株型、开花结果、防御反应、抗病、抗倒伏、养分吸收利用等该论文作者、华南农业大学生命科学学院教授王海洋在接受《中国科学日报》采访时表示。

但是，在玉米、水稻、小麦、棉花、油菜和其他作物的品种适应范围内，通过合理密植可以提高单位面积产量。

因此，科学家希望为合理密植找到一个平衡点。因此，有必要了解密植如何影响植物的避荫反应以及对植物的一系列影响。王海洋团队一直密切关注相关的科学问题。

2017年，王海洋团队发现拟南芥FHY3和FAR1这两个同源转录因子能够调节光和乙烯信号通路的整合，并协调磷饥饿反应、PHR1和磷饥饿反应的关键因子的表达。

2019年，该团队还发现，FHY3/FAR1作为一种新的重要的避光反应调节因子，通过整合外部光信号和内部茉莉酸信号，在密植条件下协调植物生长和防御平衡的分子机制。

在2020年初，他们进一步发现FHY3/FAR1还能与植物年龄信号通路的三个关键因子SPL3/4/5相互作用，并抑制其下游开花基因FUL/LFY/AP1/MIR172C的激活，从而抑制开花。

避光反应如何与分蘖机制联系起来？

4月23日发表的最新研究发现了避光反应和分蘖机制之间的分子联系。

以往的研究分别分析了光信号引起的避光反应和strigolactone调节的分枝或分蘖机制。2017年，王海洋团队发现植物可以通过光敏色素信号通路调节miR156-SPL分子模块，从而调节植物的避荫反应。

此外，最近的研究发现，strigolactone是抑制植物分枝(分蘖)的主要植物激素。在模式植物拟南芥中，SMXL6/7/8三个同源基因编码strigolactone信号通路的关键抑制剂。当strigolactone信号通路被激活时，SMXL6/7/8三种蛋白将被蛋白酶体降解，从而达到抑制分支的作用。

然而，目前尚不清楚光敏色素介导的光信号途径和strigolactone信号途径如何在密植条件下协同调节植物分枝(分蘖)的分子机制该论文的第一作者、中国农业科学院生物技术研究所副研究员谢玉容告诉《中国科学日报》。

“当然，还有其他影响分枝的因素，如其他植物激素，如生长素、赤霉素等。也参与分支的调节，但很少研究它们的协同效应，如信号通路的相互作用机制等王海洋说。

在最新的研究中，“我们发现拟南芥FHY3和FAR1这两个同源转录因子，通过整合植物的外部光信号通路和植物的内部strigolactone信号通路，在密植条件下协同调节分枝的分子机制。”谢玉容说道。

研究人员发现，miR156-SPL分子模块的两个重要成员，SPL9和SPL15蛋白，可以直接激活下游分支中关键负调节因子BRC1的转录，从而抑制植物分支的生成。光敏色素A信号通路中的两个重要信号转导因子FHY3/FAR1和strigolactone信号通路重要因子SMXL6/7/8可与两个蛋白SPL9/15相互作用，抑制SPL9/15对BRC1的转录调控，从而促进植物分枝的产生。

此外，研究还发现FHY3/FAR1能直接促进SMXL6和SMXL7的转录。在遮荫或密植条件下，FHY3/FAR1蛋白水平降低，导致SMXL6和SMXL7转录物和蛋白水平降低，释放SPL9/15蛋白，导致其下游基因BRC1转录水平升高，从而抑制植物分枝的产生。

谢玉容表示，该研究首次将植物的外部光信号通路和内部strigolactone信号通路整合起来，阐明了密植下分枝的分子机制，完善了植物避荫反应的调控机制，为培育耐密植、高效利用养分的植物新品种奠定了坚实的理论基础。

通过这些研究，我们可以快速了解不同作物是否利用相似或保守的分子机制来调控避荫反应，挖掘它们的同源基因，分析它们在避荫反应中的作用，挖掘它们优良的耐密度单倍型，为作物的分子育种和耐密度改良提供理论指导和基因资源王海洋说。

相关论文信息:Https://doi.org/10.1038/s41467-020-15893-7