［本站(zhàn)訊］近日，生(shēng)命科學學院、植物發育與環境适應生(shēng)物學教育部重點實驗室向鳳甯教授團隊揭示UV-B依賴型E3連接酶GmILPA1介導赤黴素代謝調控大豆株高的新(xīn)機制，在大豆株高調控機制及耐密植新(xīn)種質創制上(shàng)取得新(xīn)進展，對深入理(lǐ)解大豆對UV-B輻射适應性生(shēng)長機制提供了(le)新(xīn)線索。相關研究成果以“UV-B irradiation-activated E3 ligase GmILPA1 modulates gibberellin catabolism to increase plant height in soybean”爲題發表于Nature Communications上(shàng)，該文章以山東大學爲第一(yī)作(zuò)者和第一(yī)通訊作(zuò)者單位，博士研究生(shēng)孫家旗爲論文第一(yī)作(zuò)者，向鳳甯教授爲末位通訊作(zuò)者。廣州大學孔凡江教授、劉寶輝教授，中國科學院東北地理(lǐ)與農業生(shēng)态研究所研究員馮獻忠爲共同通訊作(zuò)者。
目前，我國對大豆的需求量急速攀升，供需矛盾日益突出，提高大豆産量成爲保障國家糧食安全的迫切需求。密植可提高大豆單産和有效利用種植面積，因此耐密植品種培育至關重要。株高是影響産量的關鍵農藝性狀，半矮稈品種可提高種植密度和抗倒伏能(néng)力以增加大豆産量。株高受植物激素赤黴素（GA）和紫外線b（UV-B）輻射的雙重調控。UV-B是降低(dī)作(zuò)物株高和産量的脅迫因子(zǐ)之一(yī)。目前，UV-B如(rú)何介導GA代謝相關基因翻譯後修飾來調節植物高度尚不清楚。
泛素-蛋白酶體系統是真核生(shēng)物中蛋白質選擇性降解的主要途徑，在植物生(shēng)長發育過程中發揮着關鍵作(zuò)用。已知E3泛素連接酶COP1介導UV-B信号傳導調控植物生(shēng)長。然而，有關E3泛素連接酶後期促進複合體/環體（APC/C）如(rú)何響應外界環境信号（如(rú)UV-B輻射）調控植物生(shēng)長的研究尚未見報道。
Gmilpa1受UV-B誘導矮化(huà)，白光下(xià)與對照株高相近，白光附加UV-B下(xià)株高變矮，GA恢複其在UV-B下(xià)的矮化(huà)表型
該研究篩選了(le)一(yī)個UV-B依賴型大豆矮化(huà)突變體Gmilpa1，其在溫室或白光下(xià)生(shēng)長株高與野生(shēng)型相近，在田間及白光附加UV-B照射下(xià)生(shēng)長株高較野生(shēng)型低(dī)。利用圖位克隆與BSA-seq結合的方法分(fēn)離了(le)調控株高的目标基因—APC/C E3泛素連接酶複合體亞基APC8蛋白基因GmILPA1。發現該蛋白受UV-B誘導積累，分(fēn)别與GmGA2ox-like（赤黴素2-氧化(huà)酶）和GmUBL1（RING/U-box類E3泛素連接酶）互作(zuò)，且GmGA2ox-like和GmUBL1亦存在相互作(zuò)用關系。泛素化(huà)降解實驗證明，GmGA2ox-like作(zuò)爲GmILPA1和GmUBL1的底物在第394位賴氨酸上(shàng)被泛素化(huà)修飾，并在UV-B照射下(xià)被GmILPA1介導的26S蛋白酶體降解，而GmUBL1可增強UV-B依賴的GmILPA1對GmGA2ox-like的靶向降解，使其對活性赤黴素GAs（如(rú)GA1和GA4）的氧化(huà)能(néng)力降低(dī)，從而降低(dī)了(le)非活性赤黴素（GA8和GA34）含量，暗示GmILPA1-GmGA2ox-like互作(zuò)抵消了(le)UV-B介導的活性GAs的減少，減輕了(le)UV-B誘導的生(shēng)長抑制，來維持植物正常生(shēng)長。外施GA可恢複Gmilpa1在UV-B照射下(xià)的矮化(huà)表型，證明了(le)Gmilpa1在UV-B照射下(xià)的矮化(huà)是由于GA含量降低(dī)引起的。進一(yī)步遺傳分(fēn)析發現，在Gmilpa1背景下(xià)降低(dī)GmGA2ox-like表達亦可恢複UV-B照射下(xià)Gmilpa1的矮化(huà)表型，證明了(le)二者的遺傳學關系。綜上(shàng)，GmILPA1在UV-B照射下(xià)通過提高活性GA含量來維持大豆植株正常生(shēng)長。
GmILPA1不同單倍型的地理(lǐ)分(fēn)布（a）及GmILPA1介導UV-B調控大豆株高分(fēn)子(zǐ)模型（b）
對來自野大豆、農家種和栽培種中的444份大豆材料進行的GmILPA1單倍型分(fēn)析發現，GmILPA1是大豆馴化(huà)育種過程中的選擇靶點，其單倍型1、2、5和6（Hap1/2/6/5）在育種過程中被人(rén)工選擇。其中，Hap1/2/6植株高于Hap5，其主要分(fēn)布于UV-B強度較低(dī)的南(nán)方地區，Hap5主要分(fēn)布在UV-B強度較高的東北地區，Hap1/2/6的啓動子(zǐ)區含有一(yī)個光響應元件，可響應UV-B對GmILPA1在轉錄及翻譯水平上(shàng)的誘導表達，而Hap5的啓動子(zǐ)區該元件缺失了(le)13bp，響應喪失，推測該響應元件缺失的Indel決定了(le)大豆對UV-B響應水平而引起不同單倍型株高差異，如(rú)，Hap5啓動子(zǐ)區該響應元件缺失導緻植株對UV-B不響應，提高了(le)其對UV-B的耐受性，使其适于在UV-B強度較高的東北地區生(shēng)長，這是大豆自身(shēn)抗UV-B輻射的一(yī)種保護機制。Hap5變異可用于培育半矮化(huà)和耐UV-B輻射的大豆新(xīn)品種。
綜上(shàng)，該研究發掘了(le)一(yī)個UV-B調控大豆株高的關鍵模塊GmILPA1- GmUBL1-GmGA2ox-like，該模塊通過對UV-B依賴的GmGA2ox-like的泛素化(huà)降解，來抑制活性GA含量的降低(dī)，從而提高了(le)大豆對UV-B的耐受性，維持了(le)大豆正常生(shēng)長。該發現爲深入了(le)解植物适應UV-B脅迫的分(fēn)子(zǐ)機制提供了(le)理(lǐ)論參考，爲進一(yī)步解析調控大豆株高的分(fēn)子(zǐ)機制提供了(le)借鑒，爲選育适應強紫外線輻射的農作(zuò)物新(xīn)品種提供了(le)理(lǐ)論基礎。
該研究工作(zuò)得到了(le)“十四五”國家重點研發計劃（2021YFF1001201）、山東-國家基金(jīn)委聯合基金(jīn)（U1906203）及山東省重點研發計劃（2021LZGC003）項目資助。向鳳甯教授課題組多年從事(shì)調控大豆株型及耐鹽堿關鍵基因發掘及其利用研究，構建了(le)大豆EMS誘變突變體庫，篩選出大量的株型及耐鹽堿相關突變體，培育了(le)系列高産、耐逆大豆新(xīn)種質/品系，其中山大5号被審定爲山東省大豆新(xīn)品種，并完成了(le)有償許可，實現了(le)成果轉化(huà)，有望大規模推廣應用。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41824-3
