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发现促进植物低温耐受的新机制
日期:2020-02-28 作者:未知 来源:中国科学院 点击:
     2020年1月7日,Cell Reports 杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为 STCH4/REIL2 Confers Cold Stress Tolerance in Arabidopsis by Promoting rRNA Processing and CBF Protein Translation 的研究论文。该论文在模式植物拟南芥中发现核糖体加工蛋白 STCH4/REIL2 通过在低温下维持 rRNA 加工,增强低温下 CBFs 蛋白翻译,进而促进植物低温耐受的分子机制。
    以 CBFs(C-repeat binding factors)/DREB1s (dehydration-responsive element-binding protein 1s)为核心的信号转导是植物响应低温的重要调控通路,在过去的二十年,CBF 信号通路已被深入发掘与拓展,但对植物感受低温的分子机理以及 CBFs 的蛋白水平的调控,所知还非常有限。
在植物耐受非生物胁迫的研究中,关于低温调控的研究,因受困于研究周期长、定位基因困难等不利因素的影响,进展缓慢。该研究利用拟南芥 T-DNA 插入突变体库 CS27941,CS27942,CS27943 (
http://abrc.osu.edu/),对近 5000 个独立突变体株系进行低温耐受性筛选,得到突变体stch4(sensitiv to chilling)。
    该突变体在常温条件下无生长发育缺陷,却呈现低温敏感表型,说明该基因在低温调控中起到重要作用。
    在对 CBFs 的研究中,过量表达 CBFs 基因会加强植物对冷冻低温的抗性。但是在突变体 stch4 中,其 CBFs 的转录本水平高于 Col-0 野生型,但是其低温耐受性却显著低于 Col-0 野生型。并且 CBFs 下游基因的转录本水平在 stch4 突变体中也明显低于 Col-0 野生型。因此作者推测,在突变体 stch4 中,CBFs 蛋白可能无法有效地进行翻译,从而出现低温敏感表型。为此作者通过对内源 CBFs蛋白水平进行检测,并验证了 CBFs 在突变体 stch4 里蛋白水平下降的假设。
    所有的蛋白都是通过核糖体完成翻译,然而核糖体是一个复杂的复合体,由40S 小亚基和 60S 大亚基构成。尽管核糖体在进化过程中非常保守,但是不同的物种间核糖体还是呈现差异与变化。虽然研究人员对核糖体如何结合 mRNA 并且将其翻译成为蛋白质有较多的了解,但是对于植物中核糖体的组装,尤其是核糖体的组装如何响应逆境胁迫,还理解的非常有限。
    核糖体的组装是一个非常复杂并受到精细调控的过程。这一过程通常可以分为两部分:rRNA 的剪接以及 rRNA 和相应的核糖体蛋白正确的结合。通过Northern-blot 可以检测到,在突变体不经过低温处理的情况下,各个 rRNA 剪接的中间体,如 27SA,27SB,18S-A3,Pre-5.8S 的含量均低于野生型。当低温处理后,野生型中这些中间体的含量仅小幅降低,而在突变体中却显著下降。因此,
STCH4 是低温下维持正常 rRNA 加工所必需的。
    该研究得到中科院和韩国国家研究基金会的相关经费支持。中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康组博士哈斯和博士研究生孔祥锋为共同第一作者,研究员朱健康和副教授施华中(Texas Tech University)为共同通讯作者。
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