Science Advances[IF11.7]|沈陽農大李天來院士團隊許濤教授課題組解決"抑制脫落的生長素梯度形成機制"重大科學問題
植物器官脫落是植物適應發(fā)育需求與環(huán)境變化的關鍵生物學過程，直接影響作物的產量與品質。生長素作為抑制脫落的核心激素，其梯度分布抑制脫落的理論已經提出了數十余年，然而，生長素梯度建立及調控的分子機制仍未解析。此外，環(huán)境脅迫（如弱光）如何破壞生長素梯度并觸發(fā)脫落，亦是農業(yè)生產中亟待解決的難題。
近日，沈陽農業(yè)大學李天來院士團隊許濤課題組在Science子刊Science Advances上發(fā)表了題為A KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX PROTEIN1-interacting tranion factor SlGATA6 maintains the auxin-response gradient to inhibit abscission的研究論文。研究利用多組學聯(lián)用技術，結合分子生物學和遺傳學手段，系統(tǒng)鑒定出調控生長素梯度形成的關鍵轉錄因子 SlGATA6，明確了生長素信號梯度形成的關鍵分子環(huán)節(jié)，揭示了弱光逆境通過破壞生長素梯度觸發(fā)器官脫落的分子通路，并在馬鈴薯、茄子和辣椒等主要茄科作物中驗證了該調控通路的保守性。這項研究不僅解答了自 1955 年 Addicott 教授在 Science 雜志提出的"抑制脫落的生長素梯度形成機制"這一重大科學問題，更為作物器官脫落的遺傳改良提供了全新理論框架，對提升番茄等園藝作物的抗逆性和產量穩(wěn)定性具有重要指導意義。
在課題組前期的研究中（Plant Cell, 2022. doi: 10.1093/plcell/koac254.），已經證明 KNOX 家族轉錄因子 SlKD1 是破壞生長素梯度促進脫落發(fā)生的關鍵，但由于 SlKD1 缺乏 DNA 結合區(qū)域，暗示其可能依賴其他轉錄因子發(fā)揮作用。在該研究中，通過酵母雙雜交篩選獲得與 SlKD1 直接互作的轉錄因子 SlGATA6，并利用 Pull-down、免疫共沉淀和雙分子熒光互補等試驗證實二者之間的相互作用。功能分析表明 SlGATA6 是脫落的關鍵抑制因子。通過整合 RNA-seq、DNA-seq 等組學數據與遺傳學證據，明確生長素運輸載體 SlLAX2 和 Aux/IAA 蛋白 SlIAA3 作用于 SlGATA6 下游參與抑制器官脫落。進一步對 SlLAX2 和 SlIAA3 的功能研究表明：SlLAX2 對維持離區(qū)生長素積累和信號輸出至關重要，其介導的高濃度生長素通過穩(wěn)定非典型 AUX/IAA 蛋白 SlIAA32 來抑制脫落，且 SlIAA32 與 SlIAA3 功能不冗余。
鑒于 SlGATA6 調控生長素運輸載體 SlLAX2的表達，該研究通過生長素特異性抗體的免疫熒光雜交技術及離區(qū)組織切片分析，在細胞層面揭示了生長素的空間分布模式，首次實現了生長素梯度的空間維度解析，證實了 SlGATA6 是維持這一梯度的關鍵。通過免疫熒光雙標試驗發(fā)現，SlIAA3 與 SlIAA32 蛋白信號強度在遠軸端到近軸端方向呈現相反的分布規(guī)律，即遠軸端 SlIAA32 信號強，SlIAA3 信號弱，近軸端則反之。值得注意的是，SlIAA32 和 SlIAA3 的總信號強度由遠軸端到近軸端顯著減弱，形成了離區(qū)生長素的信號梯度。由于 SlIAA32 和 SlIAA3 均可以提高生長素信號，且破壞 SlIAA32 和 SlIAA3 的功能都能夠導致生長素信號嚴重受損，表明 SlIAA32 和 SlIAA3 是建立生長素響應梯度的關鍵因子。
圖1 SlGATA6 調控離區(qū)生長素分布及信號梯度形成。A-B 野生型、Slgata6 和 Sllax2 植株花柄離區(qū)的 IAA 定位。C-D 生長素熒光強度量化圖。F-G 野生型和 Slgata6 植株花柄離區(qū)中 SlIAA32 和 SlIAA3 的免疫定位。H-I SlIAA32 和 SlIAA3 熒光強度量化。
在課題組前期研究中已證實 SlKD1 在弱光誘導脫落過程中起核心調控作用。通過 EMSA 等分子實驗發(fā)現，SlKD1 通過其 KNOX2 結構域與 SlGATA6 的 C 端 ZnF 結構域相互作用，進而抑制 SlGATA6 對下游靶基因 SlLAX2 和 SlIAA3的轉錄激活能力，最終導致生長素梯度破壞和脫落發(fā)生。遺傳學證據表明，SlKD1 位于 SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3 調控模塊的上游，通過該模塊調控脫落過程。基于這些發(fā)現，該研究構建了弱光信號通過 SlKD1-SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3-SlARF2a 分子模塊促進器官脫落的完整調控網絡。
圖2 SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3 模塊維持離區(qū)生長素梯度抑制脫落發(fā)生示意圖
進一步研究發(fā)現，SlKD1 的 KNOX2 結構域和 SlGATA6 的 ZnF 結構域在茄科植物（包括馬鈴薯、茄子和辣椒）中表現出高度的進化保守性。通過病毒誘導基因沉默技術分別沉默這些物種中的 KD1 或 GATA6 同源基因后，證實了 KD1-GATA6 調控模塊在茄科植物弱光誘導花器官脫落過程中具有保守的生物學功能。這一發(fā)現不僅為深入解析生長素調控器官脫落的分子機制提供了新的見解，并為開發(fā)環(huán)境友好型保花保果制劑奠定了重要的分子基礎，和培育超高產、多抗的番茄新品種提供了精準靶點。
沈陽農業(yè)大學李天來院士團隊許濤教授為該論文的獨立通訊作者，2021級博士研究生劉顯鳳為該論文第一作者。李天來院士及美國加州大學戴維斯分校蔣才忠教授對該研究做出了重要的指導。課題組成員齊明芳教授、劉興安教授、孟思達副教授、成麗娜博士后、葛思琪博士、王賽博士、李瑞禎博士、蔡月博士、劉洋博士、閆雪梅碩士和劉佳韻碩士參與了該研究。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目和青年科學基金項目的經費支持。
據悉，沈陽農業(yè)大學許濤教授長期致力于園藝作物設施逆境障礙與調控機制的研究，在植物器官脫落與調控領域取得了一系列突破性進展。近五年，以通訊作者在 Science Advances（2025）、the Plant Cell（2025, 2022）、Journal of Integrative Plant Biology（2024）、Plant Physiology（2024, 2022, 2021a, 2021b）和 the Plant Journal（2020）等國內外知名期刊上發(fā)表了一系列研究成果，系統(tǒng)揭示了園藝作物器官脫落調控的分子網絡與信號轉導機制。相關成果為園藝作物產量的提升及抗逆種質的創(chuàng)新創(chuàng)制提供了重要的理論支撐，也為環(huán)境友好型抗脫落制劑的研發(fā)開辟了新思路。部分研究成果獲神農中華農業(yè)科技獎、遼寧省科學進步一等獎、二等獎等省部級科研獎勵。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1891
文章中GUS染色使用了GUS染色試劑盒（貨號：RTU4032）。
