iScience | 秦跟基課題組發(fā)現(xiàn)植物熱形態(tài)建成的新機(jī)制
剛過去的2018年的夏天讓人記憶猶新，全球多地不斷出現(xiàn)氣溫創(chuàng)紀(jì)錄的新高，甚至連北極圈的溫度也達(dá)到了32℃。全球氣溫不斷變暖已經(jīng)是人類面臨的一個(gè)不可回避的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)問題。全球變暖不僅直接導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量下降，糧食價(jià)格上漲，也威脅植物的分布和多樣性。因此研究植物對(duì)高溫適用性的分子機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與動(dòng)物不同，雖然植物不能移動(dòng)，植物卻演化出很強(qiáng)的適應(yīng)周圍生境的能力。在不同環(huán)境或生長條件下，植物形成多樣性的可塑性很強(qiáng)的不同形態(tài)來適應(yīng)環(huán)境，這是植物區(qū)別于動(dòng)物的一種重要生存策略。在高溫下，植物下胚軸變得更長、葉柄也更長但葉片卻更小等，這些形態(tài)特征統(tǒng)稱為植物的熱形態(tài)建成。熱形態(tài)建成有利于植物降低自身溫度，更好地適應(yīng)高溫環(huán)境。熱形態(tài)建成的分子機(jī)制一直是植物學(xué)家研究的重要科學(xué)問題。目前已發(fā)現(xiàn)與植物光敏色素phyB相互作用的轉(zhuǎn)錄因子PIF4在植物熱形態(tài)建成中起到核心的調(diào)控作用，也鑒定出多個(gè)負(fù)調(diào)控因子通過抑制PIF4的活性來調(diào)控?zé)嵝螒B(tài)建成，但PIF4正向調(diào)控的機(jī)制研究還很不清楚。
5月8日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院秦跟基教授課題組以題為“Arabidopsis transcription factor TCP5 controls plant thermomorphogenesis by positively regulating PIF4 activity”與蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黎家教授課題組背靠背地在國際著名期刊Cell旗下新推出的目前唯一綜合性開源子刊iScience上發(fā)表了2篇論文，兩個(gè)課題組相關(guān)的獨(dú)立研究結(jié)果揭示了植物特有的轉(zhuǎn)錄因子TCP5、TCP13和TCP17通過在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平上正向調(diào)控PIF4的活性，從而促進(jìn)植物的熱形態(tài)建成。
秦跟基教授課題組在研究TCP轉(zhuǎn)錄因子功能的過程中發(fā)現(xiàn)，TCP5基因過量表達(dá)能導(dǎo)致植物在常溫下組成型地形成熱形態(tài)建成的表型如下胚軸伸長、葉柄伸長而葉片面積卻降低。深入研究表明高溫不僅快速誘導(dǎo)TCP5的表達(dá)量、改變TCP5表達(dá)模式從葉片向葉柄轉(zhuǎn)移，還促進(jìn)TCP5蛋白的穩(wěn)定性。在進(jìn)化上與TCP5最近的TCP13和TCP17過量表達(dá)均出現(xiàn)組成型熱形態(tài)建成，單獨(dú)敲除TCP5、TCP13或TCP17都不影響植物熱形態(tài)建成，而同時(shí)敲除三個(gè)TCP基因的tcp5 tcp13 tcp17三重突變體在高溫下的熱形態(tài)建成表現(xiàn)出明顯的缺陷。進(jìn)一步研究表明TCP5不僅在蛋白水平上與PIF4轉(zhuǎn)錄因子直接相互作用促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄激活活性，還在轉(zhuǎn)錄水平上直接結(jié)合到PIF4基因的啟動(dòng)子區(qū)促進(jìn)其表達(dá)。轉(zhuǎn)錄組分析表明TCP5和PIF4共調(diào)控70%與高溫反應(yīng)相關(guān)的下游基因，遺傳互作也證明了TCP5促進(jìn)PIF4的功能。該研究不僅確定了TCP轉(zhuǎn)錄因子在植物熱形態(tài)建成中的重
要作用，還闡明了植物感受高溫后形成熱形態(tài)時(shí)PIF4的精細(xì)調(diào)控機(jī)制（見圖1）。
圖1：TCP5基因受高溫誘導(dǎo)后，一方面與熱形態(tài)建成關(guān)鍵調(diào)控因子PIF4蛋白直接相互作用，另一方面直接結(jié)合到PIF4基因的啟動(dòng)子區(qū)，促進(jìn)PIF4的功能，從而正調(diào)控植物熱形態(tài)建成。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院秦跟基課題組博士生韓翔為該論文的第一作者，秦跟基教授為通訊作者。該課題組成員博士生于浩、原榮榮，已畢業(yè)博士楊琰、以及安豐英博士為該論文的共同作者。該研究受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
原文鏈接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30102-6。
北京大學(xué)秦跟基課題組一直致力于通過研究葉片發(fā)育，尋找控制植物器官發(fā)育的重要共有保守調(diào)控機(jī)制。近年來通過分子遺傳學(xué)和生化手段發(fā)現(xiàn)了多個(gè)基因在調(diào)控葉片等器官可塑性發(fā)育中起重要作用，其中包括該課題組發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子（TCP和WRKY）、TCP與轉(zhuǎn)錄抑制因子及E3泛素連接酶形成的TCP/TIE/TEAR調(diào)控模塊來精細(xì)調(diào)控葉片、分枝和胚珠發(fā)育的新機(jī)制（Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018），以及USL1與PI3K形成復(fù)合體通過調(diào)控生長素的極性運(yùn)輸控制植物可塑性發(fā)育（New Phytologist, 2018）。該工作所揭示的TCP調(diào)控植物熱形態(tài)建成的新機(jī)制是TCP/TIE/TEAR模塊在高溫條件下精細(xì)調(diào)控植物可塑性發(fā)育的重要進(jìn)展，也是一個(gè)很好的例證。
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