GmBBX13 和 GmBBX4a/b 拮抗调控 GmCML19 转录以微调大豆叶片衰老

《Journal of Genetics and Genomics》:GmBBX13 and GmBBX4a/b antagonistically regulate GmCML19 transcription to fine-tune leaf senescence in soybean

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月28日 来源:Journal of Genetics and Genomics 7.9

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   摘要叶片衰老是一个关键的发育过程,从根本上决定了作物的产量和品质。在此,我们报道了B-box结构域蛋白13(GmBBX13)负调控大豆叶片衰老。在大豆中超表达GmBBX13可显著延缓叶片衰老的起始。GmBBX13与两个密切相关的B-box结构域蛋白GmBBX4a和GmBBX4

  

摘要

叶片衰老是一个关键的发育过程,从根本上决定了作物的产量和品质。在此,我们报道了B-box结构域蛋白13(GmBBX13)负调控大豆叶片衰老。在大豆中超表达GmBBX13可显著延缓叶片衰老的起始。GmBBX13与两个密切相关的B-box结构域蛋白GmBBX4a和GmBBX4b发生物理互作。GmBBX4a和GmBBX4b功能的缺失显著延缓了叶片衰老,表明GmBBX4a/b是衰老的正调控因子。转录组分析揭示GmBBX13和GmBBX4a/b以拮抗方式共同调控约4,700个靶基因。具体而言,GmBBX13抑制而GmBBX4a/b激活GmCML19的表达,该基因编码钙调蛋白样蛋白19,其产物促进叶片衰老。综上所述,我们的研究揭示了一个分子机制,即GmBBX13和GmBBX4a/b构成拮抗调控模块,精细调节大豆叶片衰老的时序,为改善产量和延长灌浆期提供了策略。

引言

叶片衰老是一个高度有序的发育过程,代表叶片发育的最终阶段,其特征为系统性大分子降解、营养物质再动员和程序性细胞死亡(Lim et al., 2003; Yoshida, 2003; Lim et al., 2007)。作为一种关键的适应策略,衰老起始时间显著影响光合能力,从而影响作物的产量和品质(Guo and Gan, 2012; Schippers, 2015; Woo et al., 2019; Li et al., 2024)。因此,阐明叶片衰老的分子调控机制对于开发延缓衰老和提高作物产量的策略至关重要。
叶片衰老受多种内源和环境信号的调控。植物激素如脱落酸(ABA)、乙烯、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)和独脚金内酯促进叶片衰老,而生长素、细胞分裂素和赤霉素(GA)则负调控该过程(Lim et al., 2007; Guo and Gan, 2012; Schippers. 2015; Woo et al., 2019; Guo et al., 2025)。尽管叶片衰老在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已在遗传和分子水平上得到了充分理解,但在大豆等重要作物中控制该过程的调控机制仍然 largely 不清楚。衰老相关受体样激酶(GmSARK)是大豆中的富亮氨酸重复受体样蛋白激酶,通过抑制细胞分裂素信号并增强生长素和乙烯途径来促进叶片衰老(Li et al., 2006; Xu et al., 2011)。低蓝光(LBL)通过破坏蓝光光受体Gm隐花色素1(GmCRY1s)与GmDELLA之间的互作,促进GmDELLA降解和GmWRKY100的转录上调,从而诱导大豆叶片衰老(Li et al., 2024)。GmCRY2a以蓝光依赖的方式与Gm隐花色素互作bHLH蛋白1(GmCIP1)互作,它们在叶片衰老中发挥拮抗作用。GmCRY2a延缓衰老,而GmCIP1促进衰老(Meng et al., 2013)。尽管取得了这些进展,大豆叶片衰老的其他关键因子和潜在分子机制仍然知之甚少。
B-box(BBX)蛋白作为多种生理和发育过程的关键调控因子,参与光形态建成、开花、胁迫反应和衰老等(Gangappa and Botto, 2014; Song et al., 2020; Xu. 2020)。每个BBX蛋白在N端至少包含一个或两个B-box结构域,其中一些在C端还具有CCT(CO、CO-like、TOC1)结构域。它们主要作为转录因子发挥作用,此外还在多条信号通路中充当更广泛的调控因子(Khanna et al., 2009; Vaishak et al., 2019)。在大豆中,已鉴定和表征了59个BBX基因,根据结构域组成被分为五个亚家族(Shan et al., 2022)。一部分BBX已被证明在多个植物物种中调控叶片衰老。在模式植物拟南芥中,AtBBX14通过与ETHYLENE INSENSITIVE 3(EIN3)的启动子结合并抑制其转录,负调控氮饥饿和黑暗诱导的叶片衰老(Buelbuel et al., 2023)。在苹果(Malus domestica)中,MdBBX37整合茉莉酸、脱落酸和乙烯信号以促进叶片衰老(An et al., 2022)。此外,CmBBX22在拟南芥中的异位表达延缓了叶片衰老,表明CmBBX22在菊花中调控该生理过程中发挥关键作用(Liu et al., 2019)。
在本研究中,我们鉴定了三个大豆BBX转录因子——GmBBX13和GmBBX4a/b——它们在调控叶片衰老中表现出拮抗功能。GmBBX13属于IV亚组,仅含有两个B-box结构域;而GmBBX4a/b被归入I亚组,在N端含有两个B-box结构域,在C端含有一个CCT结构域。我们证明GmBBX13作为衰老的负调控因子发挥作用,而GmBBX4s作为叶片衰老起始的正调控因子发挥作用。GmBBX13和GmBBX4s以拮抗方式共同调控约4,700个基因的转录。具体而言,虽然GmBBX13和GmBBX4a/b均直接结合GmCML19(一个钙调蛋白样蛋白基因)的启动子,但它们对其转录产生相反效应。GmBBX13抑制GmCML19,而GmBBX4a/b激活它。此外,我们证明GmCML19在大豆中促进叶片衰老。我们的发现揭示了一个分子框架,其中拮抗性的BBX转录因子汇聚于一组共同的靶基因,以精细调节大豆叶片衰老的起始。这些靶基因为优化衰老时序和提高作物产量提供了有前景的分子育种策略候选基因。

章节摘要

GmBBX13延缓大豆叶片衰老

BBX蛋白已被发现在多种植物物种中调控叶片衰老(Gangappa and Botto, 2014; Song et al., 2020, 2024; Xu, 2020)。为了探究大豆BBX转录因子在叶片衰老中的具体作用,我们构建了过表达不同GmBBX基因的转基因大豆品系,并在田间条件下评估了它们的衰老相关表型。其中,两个独立的转基因大豆品系(YFP-GmBBX13-Flag #2和#9),其中

讨论

叶片衰老是叶片发育的最终阶段,其起始时间对作物产量和品质产生重大影响(Lim et al., 2007; Guo and Gan, 2012; Schippers, 2015; Woo et al., 2019; Li et al., 2024; Yu and Xu, 2025; Wang et al., 2026)。在本研究中,我们鉴定了一个拮抗性的BBX转录因子模块,通过调控包括GmCML19在内的多个靶基因来精细调节大豆叶片衰老的进程。这些发现提供了

植物材料与生长条件

gmbbx4a-1、gmbbx4b-1、gmbbx4s-1、gmbbx4s-2、gmbbx13-1、gmbbx13-2、gmcml19-1、gmcml19-2、YFP-GmBBX13-Flag #2和YFP-GmBBX13-Flag #9均处于大豆(Glycine max [L.] Merr.)品种Williams 82(Wm82)背景中。gmbbx4a-1、gmbbx4b-1、gmbbx4s-1、gmbbx4s-2、gmbbx13-1和gmbbx13-2突变体采用CRISPR-Cas9方法构建。田间试验于2023年、2024年和2025年在江苏省农业科学院六合试验站进行(32°50′ N, 118°

未引用参考文献

Guo and Gan, 2005; Luan, 2026.

数据可用性

基因序列参考Phytozome数据库(Glycine max Wm82.a4.v1),登录号如下:GmBBX4a(Glyma.04g058900)、GmBBX4b(Glyma.06g059600)、GmBBX13(Glyma.01g168500)、GmCML19(Glyma.04G136200)、GmActin(Glyma.18G290800)。本研究的原始RNA-seq数据已提交至国家生物技术中心(https://ngdc.cncb.ac.cn/gsub/),登录号为CRA042075。

CRediT作者贡献声明

Lu Zhai:调查研究、验证、正式分析、数据整理、可视化、撰写-原始稿。Rongbo Yang:正式分析、可视化、撰写-原始稿。Zhaoqing Song和Yuntao Xiao:方法学、撰写-原始稿。Fengyue Zhao和Wubin Wang:方法学、监督、撰写-原始稿。Dongqing Xu:概念化、监督、项目管理、资金获取、撰写-审阅与编辑。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作得到国家重点研发计划(2024YFF1000501)、国家自然科学基金(322721147、32672772、32270256、32470256、32501997)、江苏省双创计划(JSSCTD202342)、江苏省青年自然科学基金(BK20241548、BK20251534)、中国博士后科学基金会特别资助计划(GZC20231135、GZB20240319)、中国博士后科学基金(2024M751431)、中山生物
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