揭示調(diào)控植物側(cè)枝形成新機(jī)制（2020.4.4 Plant Biotechnology Journal）

植物的頂端優(yōu)勢(shì)和側(cè)枝發(fā)育在植物形態(tài)建成中扮演重要角色，開(kāi)花植物形態(tài)的多樣性主要取決于植物地上部側(cè)枝的數(shù)量、位置和形狀。除了影響高度、伸展度等形態(tài)指標(biāo)，植物分枝還會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)位點(diǎn)的產(chǎn)生，從而增加生物量和結(jié)實(shí)量，因此植物的分枝習(xí)性是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究。植物的側(cè)枝起源于葉軸的腋生分生組織（AM），在合適的條件下，植物側(cè)枝發(fā)育主要包括2個(gè)過(guò)程：腋生分生組織起始，在葉腋處分化形成側(cè)芽;腋芽伸長(zhǎng)形成側(cè)枝。

植物的側(cè)枝發(fā)育受遺傳因子、環(huán)境因素、內(nèi)源激素等多方面的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素和獨(dú)角金內(nèi)酯負(fù)調(diào)控腋芽的生長(zhǎng)，而細(xì)胞分裂素可促進(jìn)腋芽的生長(zhǎng)。另外，一些轉(zhuǎn)錄因子可以影響腋生分生組織的形成，從而影響植物側(cè)枝的形成，例如番茄中的LS、擬南芥中的LAS、水稻中的MOC1可調(diào)節(jié)腋生分生組織的起始;MYB轉(zhuǎn)錄因子LOF1、LOF2和HD-ZIPIII轉(zhuǎn)錄因子REVOLUTA會(huì)影響包括腋生分生組織起始在內(nèi)的多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。雖然已鑒定到許多因素可調(diào)控植物側(cè)枝發(fā)育的不同階段，但是具體的分子調(diào)控機(jī)制還有待深入研究。

近日，知名期刊PLANT CELL在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李云海團(tuán)隊(duì)一篇題為“Control of Plant Branching by the CUC2/CUC3-DA1-UBP15”的研究論文，介紹了CUC2/CUC3-DA1-UBP15綜合調(diào)控?cái)M南芥腋生分生組織起始，進(jìn)而調(diào)控側(cè)枝發(fā)育的分子機(jī)制。

以往研究表明，在腋生分生組織起始階段的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，CUC2和LAS位于調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的中心位置。其中CUC2蛋白可直接與LAS的啟動(dòng)子結(jié)合并激活其表達(dá)。DA1作為一種泛素依賴的蛋白酶，可以調(diào)節(jié)擬南芥的種子和器官大小?；谝延醒芯炕A(chǔ)，作者發(fā)現(xiàn)在將DA1及其同系物DAR1同時(shí)突變后，與野生型相比側(cè)枝數(shù)目減少，而過(guò)表達(dá)DA1增加了側(cè)枝數(shù)量，表明DA1及其同系物DAR1調(diào)控?cái)M南芥?zhèn)戎Φ男纬伞呙桦婄R觀察發(fā)現(xiàn)da1-1突變體的葉腋未見(jiàn)分生組織，另外，作者通過(guò)檢測(cè)GUS活性來(lái)驗(yàn)證腋生分生組織的標(biāo)記基因STM的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)da1-1突變體葉腋中心GUS活性降低，表明DA1參與調(diào)控腋生分生組織起始。

接下來(lái)，作者通過(guò)對(duì)已報(bào)到的一些調(diào)控腋生分生組織形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子與DA1共同突變進(jìn)行功能分析，結(jié)果表明DA1與LAS存在功能冗余，與MYB類轉(zhuǎn)錄因子RAX1可協(xié)同發(fā)揮作用，而DA1在一定程度上與NAC類轉(zhuǎn)錄因子CUC2和CUC3共同作用，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期調(diào)節(jié)腋生分生組織的形成。然后，作者發(fā)現(xiàn)β-雌二醇處理CUC2和CUC3轉(zhuǎn)基因材料可誘導(dǎo)DA1的積累，而cuc2/3的單、雙突變體中DA1的表達(dá)降低，表明CUC2和CUC3可調(diào)控DA1的表達(dá)。為了進(jìn)一步研究具體作用機(jī)制，作者用ChIP實(shí)驗(yàn)證明CUC2和CUC3在體內(nèi)可與DA1的啟動(dòng)子區(qū)域互作，并用原核表達(dá)蛋白證明CUC2和CUC3可直接與DA1的啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)DA1的表達(dá)。

為了鑒定DA1在調(diào)控腋生分生組織形成中的下游組分，作者通過(guò)遺傳篩選分離出了da1-1在側(cè)枝形成中的抑制因子sdb1-1，同時(shí)突變sdb1-1與da1-1部分恢復(fù)了da1-1側(cè)枝減少的表型，說(shuō)明sdb1-1突變抑制了da1-1在腋生分生組織起始階段的缺陷，該抑制因子是一種泛素特異性蛋白酶15（UBP15）。過(guò)表達(dá)UBP15導(dǎo)致了腋芽數(shù)量減少，抑制了腋生分生組織的形成，這些結(jié)果表明，UBP15在DA1的下游起著控制腋生分生組織起始的作用。

基于鑒定到的這些關(guān)鍵組分，作者分別利用DA1、CUC2/CUC3、UBP15的突變體材料通過(guò)雜交來(lái)探究它們之間的調(diào)節(jié)模式。結(jié)果表明ubp15-1分別抑制了cuc2-3和cuc3-105的腋生分生組織起始的缺陷，而ubp15-1、cuc3-105雙突變體在生殖發(fā)育過(guò)程中沒(méi)有表現(xiàn)出像cuc3-105單突變體一樣與主莖融合的分枝表型。這些現(xiàn)象說(shuō)明UBP15可能與CUC2和CUC3在調(diào)節(jié)腋生分生組織發(fā)生中起著相同的作用。另外，作者還證明了UBP15基因可與LAS相互作用，部分影響了主莖與側(cè)枝邊界的形成。

綜上，該研究證明了調(diào)控腋生分生組織起始的轉(zhuǎn)錄因子CUC2和CUC3直接與DA1的啟動(dòng)子結(jié)合并促進(jìn)其表達(dá)，DA1作用于UBP15的上游影響腋生分生組織的形成，遺傳分析支持CUC2/CUC3、DA1和UBP15在調(diào)節(jié)腋生分生組織起始途徑中共同起作用，該研究建立了CUC2/CUC3-DA1-UBP15調(diào)控腋生分生組織并調(diào)控側(cè)枝形成的作用模式，為理解植物形態(tài)建成提供了重要的理論基礎(chǔ)。