NAC转录因子ATAF2通过调控油菜素内酯/生长素代谢及叶绿素降解通路促进拟南芥幼苗生物量与叶绿素a积累

《BMC Research Notes》：The NAC transcription factor ATAF2 enhances Arabidopsis biomass and chlorophyll a accumulations at the early growth stage

本研究聚焦拟南芥NAC转录因子ATAF2在早期生长阶段的功能。研究人员通过构建ATAF2过表达及功能缺失突变体，发现ATAF2通过抑制BR失活基因BAS1/SOB7及促进IAA合成基因NIT2表达，提升内源BR/IAA水平，从而促进生物量积累；同时，ATAF2通过抑制叶绿素b还原酶NYC1表达，稳定LHCII复合体，显著增加叶绿素a含量。该研究揭示了ATAF2作为发育时序加速器在植物早期生长中的关键作用。

　　

在植物王国中，生长与发育的调控是一个精密的交响乐，其中转录因子（Transcription Factors, TFs）扮演着指挥家的角色。NAM/ATAF/CUC（NAC）家族是植物特有的一类转录因子，它们广泛参与植物对生物和非生物胁迫的响应，以及激素代谢和发育过程的调控。拟南芥（Arabidopsis thaliana）中的ATAF2（ANAC081）正是这个大家族中的一员，它被证明在植物抗病、抗逆、叶片衰老以及激素代谢中发挥着广泛的作用。

然而，尽管ATAF2的功能如此多样，它在植物早期生长阶段，特别是对生物量积累和光合作用关键色素——叶绿素（Chlorophyll, Chl）代谢的具体调控机制，仍有许多未解之谜。此前的研究发现，ATAF2的过表达能够提高内源油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）的水平，并抑制叶绿素b还原酶NYC1的表达，后者是光系统II（PSII）捕光复合体（LHCII）降解的起始步骤。同时，ATAF2还能促进生长素（Auxin）吲哚-3-乙酸（IAA）合成基因NIT2的表达。这些线索提示我们，ATAF2可能通过调控激素平衡和叶绿素代谢，在植物早期生长中扮演着“加速器”的角色。

为了验证这一假说，Peng等人开展了一项深入的研究，旨在阐明ATAF2如何通过调控BR/IAA水平和NYC1表达，来影响拟南芥的生物量和叶绿素积累。他们的研究成果发表在《BMC Research Notes》上，为我们揭示了ATAF2在促进植物早期生长中的关键作用。

关键技术方法

本研究主要采用了分子遗传学、生理学表型分析和生物化学检测相结合的策略。研究人员利用拟南芥哥伦比亚生态型（Col-0）背景，构建了ATAF2功能缺失突变体（ataf2-1/2）和三个独立的过表达株系（ATAF2ox-1/2/3）。通过RT-qPCR和RNA-seq技术验证了基因的敲除和过表达效果。在12天龄的幼苗期，研究人员系统性地测量了莲座叶数、鲜重和干重，以评估生物量积累。同时，利用80%丙酮提取叶绿素，通过分光光度法在646 nm和663 nm波长下测定吸光度，并依据Lichtenthaler公式计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量。此外，研究还利用LI-600孔度计/荧光计测量了20天龄植株的叶绿素荧光参数，以评估光系统II的量子效率（ΦPSII）和电子传递速率（ETR）。

研究结果

ATAF2过表达增加拟南芥幼苗的生物量积累

研究人员首先观察了12天龄植株的表型。与野生型Col-0相比，ATAF2功能缺失突变体ataf2-1和ataf2-2表现出明显的叶柄变短表型，而过表达株系则生长更为旺盛。莲座叶计数显示，ATAF2过表达株系的叶片数量显著高于Col-0和功能缺失突变体。更重要的是，生物量测量结果证实了ATAF2的促生长作用。Col-0和ataf2-1/2的鲜重和干重没有显著差异，而三个ATAF2过表达株系（ATAF2ox-1/2/3）的鲜重和干重均显著增加。

为了解释这一现象，研究人员提出了一个分子模型。ATAF2通过直接结合BR失活基因BAS1（CYP734A1）和SOB7（CYP72C1）的启动子，抑制它们的表达，从而减少了BR的失活，导致内源BR水平升高。同时，ATAF2通过促进IAA合成基因NIT2的表达，增加了内源IAA水平。由于BR和IAA都是植物生长的正调控因子，它们水平的升高共同促进了生物量的积累。

ATAF2过表达增加拟南芥幼苗的叶绿素a积累

除了生物量，研究人员还关注了叶绿素代谢。结果显示，ATAF2过表达株系的叶绿素a（Chl-a）含量显著高于Col-0和功能缺失突变体。然而，所有基因型的叶绿素b（Chl-b）含量均无显著差异。由于Chl-a的增加，过表达株系的总叶绿素含量也显著高于对照组。

对于这一结果，研究人员提出了一个基于NYC1的调控模型。ATAF2过表达导致NYC1转录本积累减少。NYC1是一种叶绿素b还原酶，负责将叶绿素b转化为7-羟基甲基叶绿素a（HMChl），并参与后续LHCII的降解。NYC1的减少可能减弱了LHCII的降解，从而稳定了叶绿素a，导致其积累增加。尽管NYC1的抑制理论上也应增加叶绿素b的积累，但可能由于叶绿素代谢中其他途径的反馈调节，最终维持了叶绿素b的稳态。

ATAF2过表达不增加拟南芥后期生长阶段的生物量积累

为了探究ATAF2功能的时效性，研究人员测量了20天龄植株的叶绿素荧光参数，以及27天和37天龄植株的生物量。结果显示，20天龄时，所有基因型的光系统II量子效率（ΦPSII）和电子传递速率（ETR）均无显著差异，表明ATAF2在后期不再对光合作用效率产生显著影响。27天龄时，ATAF2过表达株系仍表现出较高的鲜重和干重。然而，到了37天龄，所有基因型的鲜重已无差异，而过表达株系的干重甚至显著低于对照组，这可能是由于ATAF2诱导的早衰所致。

结论与讨论

本研究证实了NAC转录因子ATAF2在拟南芥早期生长阶段扮演着积极的调控角色。它通过调控BR分解代谢和IAA合成途径，提高内源BR/IAA水平，从而促进生物量积累。同时，ATAF2通过抑制NYC1的表达，稳定LHCII复合体，增加了叶绿素a的积累。这些变化共同促进了幼苗的快速生长。

然而，ATAF2的这种促进作用具有明显的时效性。它只在早期生长阶段发挥作用，而在后期生长阶段，ATAF2不仅不再促进生物量积累，反而可能通过激活衰老相关基因的表达，诱导叶片衰老和叶绿素降解，导致生长停滞甚至早衰。这一发现表明，ATAF2更像是一个“发育时序加速器”，它通过加速早期生长来影响植物的整体发育进程，而非在整个生命周期中持续促进生物量积累。

这项研究不仅深化了我们对ATAF2功能的理解，也为通过调控转录因子来改良作物早期生长性状提供了新的思路。未来，通过遗传分析进一步阐明BR和IAA在ATAF2介导的生物量积累中的相对贡献，将是该领域的一个重要研究方向。