王佳偉研究組揭示擬南芥MIR172基因家族成員功能冗余性和特異性

  2021年2月3日,國際學術期刊PLoS Biol在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組的題為“Redundant and Specific Roles of individual MIR172 Genes in Plant Development”的研究論文。

  進化上保守的MIRNA基因家族通常在基因組中具有多個拷貝,這些基因的功能冗余性和特異性至今仍不清楚。由于MIRNA基因座位DNA序列短,且不編碼,因此通過EMS誘變和T-DNA隨機插入很難獲得功能完全缺失的突變體。前期的研究表明,擬南芥中miR156-SPL-miR172信號級聯通路是控制植物幼年期向成年期以及生殖生長期轉變的決定因子。本研究利用CRISPR-Cas9技術對擬南芥基因組中5個MIR172基因進行了突變,并通過雜交獲得了各種組合的多突變體。有趣的是,盡管MIR172基因家族在維管植物中就已出現,但是完全缺失miR172并不會導致擬南芥出現致死表型。通過對多突變體表型以及MIR172基因啟動子活性的考察,發現5個MIR172基因具有不同的表達模式,它們在調控植物分生組織大小、葉片下表皮毛起始、莖的伸長、側枝發生以及開花時間上既具有冗余性,也存在功能特化。例如MIR172D在花序頂端分生組織中高表達,也是家族成員中唯一一個控制分生組織大小的基因。進一步研究發現,miR156-SPL-miR172信號級聯通路可以拆分為葉片和頂端分生組織兩個模塊,在這兩個組織中具有不同的SPL和MIR172基因模塊組合:在葉片中SPL9-MIR172B/C模塊通過調控成花素基因FT的表達調控植物開花時間,而在頂端分生組織中SPL15-MIR172D模塊通過激活MADS-box類基因的表達促進植物開花。此外,MIR172基因的表達可以受到環境溫度和光周期的調節,且不同的MIR172基因具有不同的響應模式。綜上,這些研究結果表明,時空表達模式的多樣化是植物MIRNA基因家族進化的一個普遍規律。擬南芥MIR172基因家族的擴增使得它可以整合不同的開花誘導因素,從而保證生殖發育的順利完成。

  中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士后練恒為論文第一作者,中科院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究員為通訊作者。本研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、上海市科委、中國科學院戰略先導B和前沿科學重點研究項目的資助。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001044

MIR172基因不同的表達模式及其對植物年齡,環境溫度,光周期的響應。

A. 不同MIR172基因表達模式圖。每個MIR172基因用不同的顏色表示。兩個SPL/MIR172對(SPL9-MI172B/C和SPL15-MIR172D)分別在維管和頂端促進開花潛能的獲得。

B. MIR172基因在長日照(LD)和短日照(SD)條件下調控開花的模式圖。在長日照條件下,FT從葉片移動至頂端(黑色箭頭所示)。FT, FLOWERING LOCUS T; FUL, FRUITFULL; LD, long days; SD, short days; SOC1, SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO 1.

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