新研究揭秘甲基轉(zhuǎn)移酶CCoAOMT1調(diào)控bHLH轉(zhuǎn)錄因子維持花粉發(fā)育內(nèi)穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制

2023年12月12日，Science China-Life Sciences在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)常芳課題組題為“Revealing the Role of CCoAOMT1: Fine-Tuning bHLH Transcription Factors for Optimal Anther Development”的研究論文。該研究揭示了一個(gè)新的翻譯后水平調(diào)控機(jī)制：甲基轉(zhuǎn)移酶CCoAOMT1通過(guò)促進(jìn)bHLHs轉(zhuǎn)錄因子的出核降解而負(fù)調(diào)控bHLH089功能，從而有效阻止bHLHs下游花藥絨氈層轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的有害過(guò)量，并最終確保花粉發(fā)育內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

花粉作為被子植物的雄配子體，對(duì)植物有性生殖至關(guān)重要。正常的花粉發(fā)育受到環(huán)境和自身信號(hào)的雙重調(diào)控。絨氈層是花藥壁四層體細(xì)胞中直接靠近小孢子的一層，為小孢子提供花粉壁前體物質(zhì)，對(duì)維持正常花粉育性至關(guān)重要，但長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)維持絨氈層內(nèi)穩(wěn)態(tài)的機(jī)制并不清楚。復(fù)旦大學(xué)常芳教授課題組前期研究曾揭示：花藥絨氈層中的門(mén)控轉(zhuǎn)錄因子DYT1與其下游bHLH轉(zhuǎn)錄因子之間存在多個(gè)“前饋”和“正反饋”環(huán)路，這些反饋環(huán)路共同保障了絨氈層中與花粉壁前體物質(zhì)合成途徑相關(guān)的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)調(diào)控和迅速放大（Zhu et al., 2015; Cui et al., 2016）。而眾所周知，轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的過(guò)度放大會(huì)造成孢粉素合成的有害過(guò)量，反而破壞花粉發(fā)育，導(dǎo)致雄性育性下降。因此，及時(shí)“剎車”是必不可少的。

本次研究中，課題組揭示了一個(gè)直接作用于bHLH010/bHLH089轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄后層面的“剎車”途徑：甲基轉(zhuǎn)移酶CCoAOMT1直接作用于bHLH010/089轉(zhuǎn)錄因子保守的K259位點(diǎn)，促進(jìn)bHLHs轉(zhuǎn)錄因子的出核及降解，從而通過(guò)減少bHLHs轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核的積累而有效抑制其下游基因的的表達(dá)，并最終確保花粉發(fā)育的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。bhlh010/089突變體及bHLH89轉(zhuǎn)基因過(guò)表達(dá)植株均表現(xiàn)出嚴(yán)重的花粉發(fā)育異常，表明bHLHs轉(zhuǎn)錄因子的內(nèi)穩(wěn)態(tài)對(duì)花粉發(fā)育至關(guān)重要。CCoAOMT1是課題組通過(guò)互作蛋白篩選鑒定到的一個(gè)與bHLH010、bHLH089均存在相互作用的甲基轉(zhuǎn)移酶。課題組首先發(fā)現(xiàn)CCoAOMT1在生殖組織、特別是花藥絨氈層細(xì)胞中高表達(dá)，且廣泛分布于細(xì)胞膜、ER、及細(xì)胞核中；其轉(zhuǎn)基因過(guò)表達(dá)植株表現(xiàn)出類似于bhlh010/089突變體植株的表型：果莢短小、花粉數(shù)目少且多數(shù)干癟敗育、花粉萌發(fā)率極低。進(jìn)一步通過(guò)細(xì)胞、生化、遺傳等試驗(yàn)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)：bHLH010/089轉(zhuǎn)錄因子自身特異地分布于細(xì)胞核中，而CCoAOMT1促進(jìn)其出核降解；bHLH010/089轉(zhuǎn)錄因子保守的甲基化位點(diǎn)K259是CCoAOMT1作用的關(guān)鍵位點(diǎn)；將該位點(diǎn)突變后，bHLH089^K59A的核分布不再受CCoAOMT1負(fù)調(diào)控，bHLH089^K59A蛋白在細(xì)胞核內(nèi)大量積累；將突變后的bHLH089（bHLH089^K59A）轉(zhuǎn)基因過(guò)表達(dá)至bhlh010/089突變體中，并不能像野生型bHLH089一樣恢復(fù)突變體表型，而是使突變體表現(xiàn)出bHLH089過(guò)表達(dá)類似的表型；此外，bHLH089過(guò)表達(dá)所導(dǎo)致的花粉發(fā)育異常能夠被CCoAOMT1過(guò)表達(dá)所恢復(fù)。以上結(jié)果綜合解析了CCoAOMT1通過(guò)抑制bHLHs轉(zhuǎn)錄因子而維持花粉發(fā)育內(nèi)穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制。

復(fù)旦大學(xué)與海南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生來(lái)澤森（現(xiàn)海南大學(xué)博士后）為論文的**作者，復(fù)旦大學(xué)常芳教授為通訊作者。海南大學(xué)與中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院彭世清研究員、美國(guó)賓州州立大學(xué)馬紅教授、復(fù)旦大學(xué)博士研究生王健正、付營(yíng)（現(xiàn)中科院植物分子**創(chuàng)新中心助研）、本科生王夢(mèng)涵參與了該研究工作。上述研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、及復(fù)旦大學(xué)***人才計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助。

至此，該課題組先后揭示了維持雄性育性的兩種正向調(diào)控機(jī)制：前饋機(jī)制、正反饋機(jī)制；以及兩條“剎車”途徑：另一條通過(guò)絨氈層內(nèi)部的甲基轉(zhuǎn)移酶直接作用于bHLH轉(zhuǎn)錄因子而實(shí)現(xiàn)；另一條通過(guò)來(lái)自小孢子的CLEs小肽信號(hào)激活的跨膜信號(hào)傳導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)。

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