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Plant Cell | 最新研究揭示植物表皮蜡质合成的翻译后调控机制

表皮蜡质是陆生植物与外界环境的第一道屏障,对植物在陆地环境中生存至关重要【1】。植物表皮蜡质的主要功能包括:减少非气孔的水分散失,抵御紫外线辐射,防御病原菌侵染以及昆虫啃食等【2,3】。表皮蜡质的生物合成发生在表皮细胞中【4】。表皮蜡质在不同器官的含量不同,并随环境的变化而变化。例如,在干旱和低空气湿度条件下生长的植物中,表皮蜡质含量会升高【5,6】。目前,植物表皮蜡质生物合成基本途径已经很清楚,但是对其生物合成翻译后调控机制依然知之甚少。

近日,韩国Sogang University的Mi Chung Suh课题组在The Plant Cell 发表了一篇题为The F-box Protein SAGL1 and ECERIFERUM3 Regulate Cuticular Wax Biosynthesis in Response to Changes in Humidity in Arabidopsis的研究论文。该研究鉴定?#25581;?#20010;F-box蛋白,并揭示了其对植物表皮蜡质生物合成的翻译后调控机制。

该研究筛选?#25581;?#20010;具?#34892; ?#21402;且有光泽的叶片的突变体,命名为sagl1-1(small and glossy leaves 1-1),并进一步克隆到SAGL1基因。该基因编码一个含Kelch-motif的F-box蛋白。表型分析发现,sagl1突变体表现出植株矮小、发育迟缓、叶片深绿色、角质层蜡质厚的表型。同时,sagl1突变体耐?#30340;?#21147;相对野生型更高。通过扫描电镜和透射电镜观察发现,sagl1突变体茎上的蜡?#31034;?#20307;密度更高,叶片表皮细胞角质层和细胞壁的厚度也显著增加。同时,sagl1茎中的蜡质成分显著增加。以上结果说明,sagl1突变体的表皮蜡质含量增加,从而增强耐?#30340;?#21147;。

SAGL1基因的克隆

进一步研究表明,SAGL1通过26S蛋白酶体介导CER3(ECERIFERUM3,长链烷烃生物合成酶)的?#21040;猓?#20174;而负调控表皮蜡质的生物合成。该研究还发现,相对高的湿度(> 90%RH)环境会导致SAGL1的表达上调和SAGL1蛋白水平增加,而低的湿度(50-60%RH)则会导致SAGL1下调。此外,在 50-60%湿度条件下,拟南芥幼苗中CER3蛋白水平显着增加。以上结果表明,SAGL1可以根据环境湿度变化调节CER3蛋白水平,从而影响蜡质含量。

sagl1 突变体抗旱性增强

总之,该研究表明SAGL1-CER3途径通过响应环境湿度变化负调节拟南芥表皮蜡生物合成;该途径是陆生植物在不同水分条件下维持表皮蜡生物合成稳态的关键调节因子。

参考文献

【1】Yeats, T.H., and Rose, J.K. (2013). The formation and function of plant cuticles. Plant  Physiol. 163: 5-20

【2】Lee, S.B., and Suh, M.C. (2013) Recent advances in cuticular wax biosynthesis and its regulation in Arabidopsis. Mol. Plant 6: 246-249.

【3】Lee, S.B., and Suh, M.C. (2015). Advances in the understanding of cuticular waxes in  Arabidopsis thaliana and crop species. Plant Cell Rep. 34: 557-572

【4】Samuels, L., Kunst, L., and Jetter, R. (2008). Sealing plant surfaces: cuticular wax formation by epidermal cells. Annu. Rev. Plant Biol. 59: 683-707.

【5】Wang, M., Wang, Y., Wu, H., Xu, J., Li, T., Hegebarth, D., Jetter, R., Chen, L., and Wang, Z. (2016). Three TaFAR genes function in the biosynthesis of primary alcohols and the response to abiotic stresses in Triticum aestivum. Sci Rep. 6: 25008.

【6】Shepherd, T., and Wynne Griffiths, D. (2006). The effects of stress on plant cuticular waxes. New Phytol. 171: 469-499.

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