PLoS Genet：BR信号途径新机制

　　

生物通报道：来自中科院植物研究所，遗传与发育研究所的研究人员发表了题为“Dynamics of Brassinosteroid Response Modulated by Negative Regulator LIC in Rice”的文章，揭示了植物BR信号途径调控的一种新机制：一个水稻C3H锌指蛋白（LIC）作为负调控转录因子介导调控。相关成果公布在PLoS Genetics杂志上。

文章的通讯作者是植物研究所种康研究员，种康研究组博士研究生张翠为论文的第一作者。种康研究员曾入选中科院“****“，国家青年科学基金获得者，主要研究领域为环境应答功能基因组研究、开花与春化作用分子机理研究、水稻拟南芥器官发生的分子机理。

水稻剑叶的倾角直接影响籽粒灌浆并最终控制产量。植物甾醇类激素-油菜素内酯（BR）能特异地调控水稻叶夹角，且能促进不同作物生长，在生产中得到广泛应用。植物细胞中BR信号转导的“激活”组分与通路业已在模式植物中明晰，但其信号系统中的“制动”元件与机制尚知之甚少。

在这篇文章中，研究人员发现并证实了一个水稻C3H锌指蛋白（LIC）作为负调控转录因子，介导一条新的BR“信号制动”通路。实验证明LIC及其互作基因网络通过控制叶枕近轴面细胞伸长而介导叶片倾角的改变。这一成果对于水稻高产分子设计育种具有重要意义。

研究人员首先在LIC基因的功能获得性突变体和超表达株系中观察到具有叶片直立、密穗等高产农艺形状，而反义转基因植株叶夹角变大。LIC基因编码C3H锌指类转录因子，负调控其靶基因，这些基因包含BR信号系统的核心“激活因子”BZR1及其下游基因。

另一方面，LIC基因又被BZR1结合在转录水平上直接受到抑制。LIC蛋白作为GSK3/BIN2类激酶底物直接被磷酸化。而LIC蛋白的磷酸化修饰控制其在细胞质和细胞核间的穿梭，从而阻碍对下游基因的转录调控。LIC与BZR1对下游基因的调控作用方向相反。

在高浓度BR条件下，LIC抑制BR“信号激活”因子的转录，从而阻遏BR信号，显示其信号“制动”功能。而在低浓度BR条件下，BZR1抑制LIC的转录表达，表现出“信号激活”状态。LIC与BZR1功能拮抗，在不同生理浓度区间协同调控BR信号平衡。

这一发现揭示了植物BR信号途径调控的崭新机制。该机制与叶片倾角调节和密穗等高产性状遗传材料将为水稻分子设计育种提供分子功能模块元件。

种康研究组近年来获得了不少重要成果，去年他们在Plant Cell杂志上发表文章，发现了一个kinesin类型马达蛋白具有转录因子活性，其突变导致赤霉素（GA）合成水平降低，而使细胞伸长受阻。这一研究发现揭示了赤霉素合成调节的新模式，为马达蛋白在动植物细胞生长和细胞分裂中的功能研究开辟了新的途径。GDD1基因在分子育种中具有潜在的应用前景。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Dynamics of Brassinosteroid Response Modulated by Negative Regulator LIC in Rice

rassinosteroids (BRs) regulate rice plant architecture, including leaf bending, which affects grain yield. Although BR signaling has been investigated in Arabidopsis thaliana, the components negatively regulating this pathway are less well understood. Here, we demonstrate that Oryza sativa LEAF and TILLER ANGLE INCREASED CONTROLLER (LIC) acts as an antagonistic
transcription factor of BRASSINAZOLE-RESISTANT 1 (BZR1) to attenuate the BR signaling pathway. The gain-of-functionmutant
lic-1 and LIC–overexpressing lines showed erect leaves, similar to BZR1–depleted lines, which indicates the opposite roles of LIC and BZR1 in regulating leaf bending. Quantitative PCR revealed LIC transcription rapidly induced by BR treatment. Image analysis and immunoblotting showed that upon BR treatment LIC proteins translocate from the cytoplasm to the nucleus in a phosphorylation-dependent fashion. Phosphorylation assay in vitro revealed LIC phosphorylated by GSK3–like kinases. For negative feedback, LIC bound to the core element CTCGC in the BZR1 promoter on gel-shift and chromatin
immunoprecipitation assay and repressed its transcription on transient transformation assay. LIC directly regulated target
genes such as INCREASED LEAF INCLINATION 1 (ILI1) to oppose the action of BZR1. Repression of LIC in ILI1 transcription in
protoplasts was partially rescued by BZR1. Phenotypic analysis of the crossed lines depleted in both LIC and BZR1 suggested that BZR1 functionally depends on LIC. Molecular and physiology assays revealed that LIC plays a dominant role at high BR levels, whereas BZR1 is dominant at low levels. Thus, LIC regulates rice leaf bending as an antagonistic transcription factor of BZR1. The phenotypes of lic-1 and LIC–overexpressing lines in erect leaves contribute to ideal plant architecture. Improving this phenotype may be a potential approach to molecular breeding for high yield in rice.

作者简介：

种康，1962年4月出生，陕西人，研究员,博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，中科院“****”入选者。现任中国科学院植物研究所副所长，中国科学院光合作用与环境分子生理学重点实验室主任。

主要研究领域及内容简介
 
环境应答功能基因组研究
低温是影响水稻产量的因素之一。我们重点以水稻、小麦和拟南芥等作为实验材料，开展水稻低温胁迫的功能基因分析以及耐低温基因的克隆与应用，研究植物应答环境低温的分子机理和低温信号转导途径。目前发现水稻中一个转录因子 OsMYB3R-2（Plant Physiol，2007, 143:1739-51）、锌指蛋白OsCOIN（Planta, 2007, 226:1007–1016）等基因参与低温耐性。课题组将在此基础上，探索作物分子遗传改良的可能途径。
开花与春化作用分子机理研究
课题组率先在冬小麦中克隆到春化相关基因在小麦中获得春化相关基因cDNA克隆（Physiol. Plant., 1994），从DNA、RNA 和蛋白质水平对春化相关蛋白VER2 进行了深入研究，证明其RNA主要分布在茎尖幼叶的叶肉细胞中（Planta, 2003, 217:261-270），该蛋白为一种凝集素，春化作用影响该蛋白的磷酸化状态和胞内的分布模式。组蛋白受到多种形式的修饰, 包括乙酰化、甲基化、磷酸化与泛素化等，我们基于表观遗传学分析，发现SKB1能催化FLC基因启动子区域染色质组蛋白H4的3位精氨酸的对称性双甲基化，进而促进开花，表明SKB1是控制开花自主途径的新成员（EMBO J, 2007, 26:1934-1941）。
水稻拟南芥器官发生的分子机理
利用水稻和拟南芥为材料，通过分子遗传学、分子细胞生物学和生理学等手段，克隆控制植物器官发生的功能基因，揭示在花器官的发生、根系的形成等过程中基因调控模式和控制途径，研究环境信号对植物发育进程的影响。目前课题组分析了参与根系发生和发育的小G蛋白OsRAA1（ Plant Physiol, 2004, 135:1502-1513）、TaRAN1（Plant Physiol, 2006, 140:91-101）、G蛋白激活蛋白OsAGAP（ Plant Cell & Environ, 2005, 28: 147–156；Plant J. 2006, 48:581-591）。