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客户PBJ文章|ROC家族成员调控水稻株叶形态

发布日期:2022-01-26 浏览次数:334

2021年8月,江苏省农科院粮食作物研究所杨杰团队在植物学研究Top期刊Plant Biotechnology Journal(Q1,IF=9.803)在线发表了题为“Heterodimer formed by ROC8 and ROC5 modulates leaf rolling in rice”的研究论文,文章证实了水稻ROC8-ROC5的异源二聚化在调控叶片卷曲中的重要作用。



该文章利用了多项技术,集思慧远参与了其中转录组测序的工作,下面跟随小编来学习一下高分文章基因功能研究的思路吧。



研究背景

适宜的叶片形态是水稻育种的重要目标性状。水稻适度卷叶有利于延缓叶片衰老,保持叶片直立,增加受光空间,增强水稻植株基部的光量和光强。


水稻ROC (Rice outermost cell-specific1) 基因是植物特有的homeodomain leucine zipper IV (HD-Zip IV) 基因家族成员,编码一类homeobox转录因子。许多调控水稻卷叶的基因,包括同源结构域leucine zipper IV转录因子ROC5和ROC8,已被克隆并进行功能分析。然而,这些基因调控叶片卷曲的分子机制仍不清楚。


研究思路

材料:粳稻品种Kitaake、oul1突变体(具有日本晴背景)以及与这两个品种相关的转基因植物

文章策略:BiFC+酵母双杂+转基因(过表达+敲除)+CO-IP+RNA-seq+形态学观察



研究结果

1、ROC8 和ROC5 都具有转录激活活性且能各自形成同源二聚体

酵母自激活结果显示,ROC8和ROC5都具有保守的HD和START功能域,除此之外两者都具有NTR、M和CTR结构域。ROC8和ROC5都具有转录激活活性,其中,ROC8中单独M区域具有转录激活活性,而ROC5中NTR+HD+M与M+START区域都具有转录激活活性。ROC8和ROC5各自都能形成同源二聚体,并利用双分子荧光互补 (BiFC) 验证了这一结果。



2、ROC8的过表达导致叶片正面卷曲,敲除导致叶片背面卷曲

通过构建ROC8基因过表达和敲除株系,发现过表达ROC8的水稻植株由于泡状细胞的数量和大小减少而导致叶片近轴面卷曲,而敲除ROC8的植株则由于泡状细胞的数量和大小增加而导致叶片远轴面卷曲。



3、ROC8与ROC5的相互作用验证

研究人员进一步对ROC8与ROC5的相互作用进行研究,通过酵母双杂、CO-IP以及BiFC结果表明,ROC8与ROC5可以互作形成异源二聚体。进一步的竞争性实验结果表明,上述异源二聚作用与各自同源二聚作用存在竞争关系:相比于ROC8-ROC8或ROC5-ROC5同源二聚体,两者更趋向形成ROC8-ROC5异源二聚体。即ROC8和ROC5虽均能各自形成同源二聚体,但ROC8会优先与ROC5互作,形成异源二聚体。



4、ROC5与ROC8 突变系的过表达无法挽救反轴卷叶的突变表型

研究人员在ROC5 T-DNA插入突变体oul1中过表达ROC8,同时在ROC8基因敲除系crispr8-6中过表达ROC5,结果发现,两者都不能恢复各自突变表型,表明ROC8-ROC5异源二聚体比ROC8或ROC5的同源二聚体更有可能具有功能性。



5、鉴定受 ROC5 和 ROC8 调控的基因

通过比较双突变系crispr5&8-1、roc8单突变系crispr8-6 和oul1 ( roc5 ) 突变体的转录组数据,研究者在roc8和roc5的单突变体和双突变体中发现了大量共同的差异表达基因,这表明许多基因可能同时受到ROC5和ROC8 的直接或间接调控。对这 269 个基因的GO分析表明,约三分之二的基因显着富集到代谢过程和细胞过程。除了控制泡状细胞的形成外,一些 DEG 参与了纤维素和木质素的生物合成、细胞壁和液泡的形成以及水分胁迫,这些基因是否是水稻叶片中 ROC8-ROC5 异二聚体的直接靶标仍有待未来研究进行研究。



总结

本研究结果揭示了ROC蛋白通过二聚体调控水稻叶片卷曲的分子机制。首先发现过表达ROC8的叶片由于泡状细胞数量和大小的减少而导致近轴卷曲,而敲除ROC8的叶片则由于泡状细胞数量和大小的增加而导致远轴卷曲。随后通过互作实验证实ROC8和ROC5均能各自形成同源二聚体,但ROC8会优先与ROC5互作,形成异源二聚体,且异源二聚体更可能具有功能性。通过对roc8和roc5单突和双突植株的差异表达基因鉴定,发现大量共同差异表达基因进一步证实了这一点,并提出了ROC 介导的叶片调控卷曲模型。



原文链接:https://doi.org/10.1111/pbi.13690