中美日韩合作《Plant Cell》发现拮抗基因控制水稻生长

　　

生物通报道，来自美国和中国的科学家最近在《Plant Cell》杂志上发表最新水稻研究成果Antagonistic HLH/bHLH Transcription Factors Mediate Brassinosteroid Regulation of Cell Elongation and Plant Development in Rice and Arabidopsis，他们合作发现了一种植物固醇能促使两种基因相互对抗——一个基因抑制另一个基因从而确保水稻和实验植物拟南芥（Arabidopsis thaliana，芥菜的一种亲缘物种）的叶子正常生长。它对于理解如何操纵作物生长和产量具有重要意义。

 

该研究受到了中国国家自然科学基金委员会、国立卫生研究院、日本文部科学省以及卡内基研究院的资助。参与研究的有中国科学院植物研究所、中国农业科学院、卡内基研究院植物生物学系、韩国Yongsei大学，日本理研先进科学研究所。

 

在植物中，固醇水平反映了环境和内部信号，而且控制着许多过程。称为油菜素内酯（BRs）的固醇激素在细胞表面开始它们的活动，并通过一种分子接力从而把信号送入细胞核，打开或关闭特定基因，特别是那些调控植物生长和发育的关键基因。尽管科学家对这种固醇如何影响拟南芥基因已经有了很多发现，它对水稻等农作物的影响还知之甚少。

 

论文的作者之一、卡内基研究院植物生物学系的Zhi-Yong Wang解释了这项研究：“我们知道这种固醇对于激活控制着拟南芥以及水稻的细胞生长的基因具有非常重要的作用。对这种固醇最敏感的反应之一是水稻的叶弯曲，这是由于叶片和叶鞘连接处的上层细胞的扩张造成的。我们希望确定这种固醇如何在水稻中发挥作用。我们发现了这种固醇影响两个基因编码（或制造）的蛋白质，后者把其它基因打开或关闭；它们被称为转录因子。在水稻中，当一个称为叶倾斜增加1基因（ILI1）被打开的时候，它导致了叶弯曲。有趣的是，我们发现了ILI1蛋白也与另一种称为IBH1的转录因子结合，并抑制其功能。当存在过多ILI1蛋白的时候，叶子过度弯曲，让植株变得粗浓。当IBH1浓度高的时候，连接处的细胞生长停滞，而水稻变得非常直，占据的空间更少。在正常的水稻植株中，ILI1和IBH1的平衡让生长得到控制。”

 

这一对基因提供了控制叶子角度的独特工具，这对于作物产量有重要作用，因为直立的叶片改善了光捕获而且能让水稻植株种植得更密集，从而获得每公顷的更高产量。

 

通过一系列实验，这组科学家确定了这种固醇如何与这些基因相互作用。他们发现了油菜素内酯相反地调控这些基因——ILI1被激活了，而IBH1被抑制了。因此，这种固醇改变了ILI1和IBH1的蛋白质产物的平衡，从而启动了细胞生长。

 

“看上去这种固醇导致了IBH1基因停止制造IBH1蛋白，与此同时增加了ILI1蛋白的生产，而这关闭了IBH1对细胞生长的抑制。这确保了细胞根据固醇的水平而生长到合适的长度，”Wang评论说。

 

这组科学家对芥菜进行了类似的实验，结果显示出固醇与芥菜基因以同样的方式相互作用。“由于类似的基因在不同的植物体内做了同样的事情，这个过程很可能非常古老而且见于许多不同的高等植物。我们对这类机制了解得更多，我们就能更好地改造农作物从而养活不断增加的人口，”Wang得出结论说。

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Received August 3, 2009

Returned for revision September 30, 2009

Accepted November 22, 2009

 

Antagonistic HLH/bHLH Transcription Factors Mediate Brassinosteroid Regulation of Cell Elongation and Plant Development in Rice and Arabidopsis

Li-Ying Zhang 1, Ming-Yi Bai 2, Jinxia Wu 3, Jia-Ying Zhu 1, Hao Wang 1, Zhiguo Zhang 3, Wenfei Wang 1, Yu Sun 4, Jun Zhao 1, Xuehui Sun 3, Hongjuan Yang 5, Yunyuan Xu 5, Soo-Hwan Kim 6, Shozo Fujioka 7, Wen-Hui Lin 5, Kang Chong 5, Tiegang Lu 3, and Zhi-Yong Wang 2*

1 Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Biology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China; Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

2 Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Biology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China; Department of Plant Biology, Carnegie Institution for Science, Stanford, California 94305

3 Biotechnology Research Institute/National Key Facility for Gene Resources and Gene Improvement, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

4 Department of Plant Biology, Carnegie Institution for Science, Stanford, California 94305

5 Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Biology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China

6 Department of Biological Sciences, Yonsei University, Wonju-Si 220-710, Korea

7 RIKEN Advanced Science Institute, Wako-shi, Saitama 351-0198, Japan

 

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [e-mail].

 

In rice (Oryza sativa), brassinosteroids (BRs) induce cell elongation at the adaxial side of the lamina joint to promote leaf bending. We identified a rice mutant (ili1-D) showing an increased lamina inclination phenotype similar to that caused by BR treatment. The ili1-D mutant overexpresses an HLH protein homologous to Arabidopsis thaliana Paclobutrazol Resistance1 (PRE1) and the human Inhibitor of DNA binding proteins. Overexpression and RNA interference suppression of ILI1 increase and reduce, respectively, rice laminar inclination, confirming a positive role of ILI1 in leaf bending. ILI1 and PRE1 interact with basic helix-loop-helix (bHLH) protein IBH1 (ILI1 binding bHLH), whose overexpression causes erect leaf in rice and dwarfism in Arabidopsis. Overexpression of ILI1 or PRE1 increases cell elongation and suppresses dwarf phenotypes caused by overexpression of IBH1 in Arabidopsis. Thus, ILI1 and PRE1 may inactivate inhibitory bHLH transcription factors through heterodimerization. BR increases the RNA levels of ILI1 and PRE1 but represses IBH1 through the transcription factor BZR1. The spatial and temporal expression patterns support roles of ILI1 in laminar joint bending and PRE1/At IBH1 in the transition from growth of young organs to growth arrest. These results demonstrate a conserved mechanism of BR regulation of plant development through a pair of antagonizing HLH/bHLH transcription factors that act downstream of BZR1 in Arabidopsis and rice.