9月13日，陜西師范大學(xué)吳光研究組和蘭州大學(xué)黎家研究組在Nature Communications 上分別在線發(fā)表了題為EMS1 and BRI1 control separate biological processes via extracellular domain diversity and intracellular domain conversation 和 BES1 is activated by EMS1-TPD1-SERK1/2- mediated signaling pathway to control tapetum development in Arabidopsis thaliana 的研究論文。兩個研究組采用不同的研究思路得到了相類似的結(jié)論，共同揭示了擬南芥類受體激酶EMS1調(diào)控花藥絨氈層形成的分子機制。
被子植物花藥的發(fā)育過程受到精密調(diào)控，花藥絨氈層對于植物雄配子體的產(chǎn)生是不可或缺的。已知擬南芥的EMS1（EXTRA MICROSPOROCYTES1）基因編碼一個富含亮氨酸重復(fù)序列的膜蛋白，分泌型小蛋白TPD1 (TAPETUM DETERMINANT 1) 是其配體。體細胞胚胎發(fā)生相關(guān)類受體蛋白激酶家族（SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASES, SERK）成員SERK1/SERK2是該配體的共受體。TPD1-EMS1-SERK1/SERK2組成的細胞信號決定絨氈層的起始，突變體ems1，tpd1，serk1serk2的絨氈層前體細胞不能正確分化成絨氈層細胞，而是發(fā)育成小孢子母細胞。因此，在以上突變體中出現(xiàn)了過多的小孢子母細胞而缺少絨氈層。已有的模型認為小孢子母細胞分泌TPD1蛋白，被絨氈層前體細胞膜上的受體EMS1感知，進而激活胞內(nèi)的信號途徑，決定絨氈層的細胞命運，該信號的缺失導(dǎo)致絨氈層細胞命運的錯亂。目前，對于該信號途徑的胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程知之甚少。
油菜素內(nèi)酯受體BRI1 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1) 和EMS1同屬一個基因亞家族。目前，對BRI1下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑已有了深入的認識。BRI1結(jié)合油菜素內(nèi)酯（BR）后，通過一系列的蛋白磷酸化和去磷酸化反應(yīng)激活轉(zhuǎn)錄因子BZR1 (BRASSINAZOLE RESISTANT 1) 和BES1 (BRI1 EMS SUPPRESSOR 1)，進而調(diào)控下游的靶標(biāo)基因。擬南芥BZR1家族包含6個同源基因，具有類似的蛋白功能。與ems1突變體不同，bri1缺失突變體表現(xiàn)出嚴重的生長發(fā)育障礙。但有絨氈層，能夠產(chǎn)生可育花粉。
吳光研究組的論文證實了EMS1和BRI1通過不同的胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合配體，活化保守的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，最終激活轉(zhuǎn)錄因子BZR1和BES1調(diào)控各自不同的生物學(xué)過程。該研究從類受體激酶的結(jié)構(gòu)特征入手，分割了EMS1胞外配體結(jié)合區(qū)段和胞內(nèi)的激酶功能區(qū)段。構(gòu)建出EMS1-BRI1和BRI1-EMS1的嵌合受體，轉(zhuǎn)基因的互補實驗表明，EMS1和BRI1的胞內(nèi)區(qū)段可以互相替換并表現(xiàn)出各自完全的生物學(xué)功能。而其他的類受體激酶不能有效互換，表明該功能是特異的，提示EMS1的下游功能可能和BRI1相似。進一步的異位表達實驗證實EMS1-TPD1信號可以部分互補BRI1-BR信號，反之，BRI1-BR信號也可部分互補EMS1-TPD1信號。生化實驗證實EMS1-TPD1信號可以去磷酸化激活轉(zhuǎn)錄因子BES1。BR信號持續(xù)激活的突變體bzr1-1D和bes1-D可以有效恢復(fù)ems1、tpd1、serk1serk2突變體?；蚧パa實驗表明，來自小立碗蘚的PpEMS1和PpTPD1基因表現(xiàn)出和擬南芥該對基因一致的分子功能。該研究闡明EMS1和BRI1共享下游轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控絨氈層形成的分子機制，并且提示BRI1基因代表的BR激素信號可能起源于EMS1-TPD1這個陸生植物保守信號。
圖1 EMS1和TPD1的共表達部分恢復(fù)bri1突變體.
圖2 陸生植物的EMS1-TPD1和BRI1-BR信號簡圖
黎家研究組的論文闡明了擬南芥中轉(zhuǎn)錄因子BES1和BZR1為EMS1-TPD1-SERK1/2所介導(dǎo)的絨氈層發(fā)生信號所必需。該研究采用反向遺傳學(xué)的方法，構(gòu)建了BES1家族基因的多重突變體，發(fā)現(xiàn)五突bes1-1bzr1-1beh1-1beh3-1beh4-1 (qui-1)表現(xiàn)出沒有花粉的表型，進一步的細胞學(xué)和分子標(biāo)記證實該表型是由于絨氈層嚴重缺陷造成。BES1和BZR1的熒光標(biāo)記顯示這兩個轉(zhuǎn)錄因子在絨氈層高表達。與BR信號突變體絨氈層細胞的比較表明qui-1的表型顯然不是BR信號的缺陷表型，檢索發(fā)現(xiàn)qui-1和qui-2的花藥細胞形態(tài)表型和絨氈層分子標(biāo)簽基因表達類似于ems1、tpd1、serk1serk2突變體，提示BES1蛋白可能以非BR依賴的方式參與了EMS1信號途徑。遺傳學(xué)和生化實驗證實bzr1-1D和bes1-D能夠部分抑制ems1、tpd1、serk1serk2的缺陷表型并且EMS1和TPD1的共表達能夠促進去磷酸化BES1蛋白的積累。這些實驗證明，轉(zhuǎn)錄因子BES1不僅能夠被BRI1-BR-BAK1信號所激活，也可以獨立的被EMS1-TPD1-SERK1/2信號所激活并調(diào)控絨氈層細胞命運。
圖3 五突qui-1的表型
圖4 BRI1-BR和EMS1-TPD1信號作用模式圖
綜上所述，兩項獨立的研究結(jié)果證實了EMS1信號通過激活轉(zhuǎn)錄因子BES1和BZR1調(diào)控絨氈層形成的分子機制，揭示了植物通過不同的配體結(jié)合不同的受體進而激活相同的轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控不同的生物學(xué)過程的調(diào)控機制。這種機制使得植物能夠利用有限的分子模塊，經(jīng)濟有效地調(diào)控自身的生長發(fā)育和應(yīng)對復(fù)雜的內(nèi)外環(huán)境。
陜西師范大學(xué)吳光研究組的論文共同第一作者為博士生鄭博文和白群偉，吳光教授和佘小平教授為論文通訊作者。蘭州大學(xué)黎家研究組的論文共同第一作者為博士生陳偉月和呂銘輝，黎家教授為論文通訊作者。
論文鏈接：
www.nature.com/articles/s41467-019-12112-w
www.nature.com/articles/s41467-019-12118-4
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