Nature Plants:Sigma因子SIG5整合擬南芥響應(yīng)低溫和晝夜節(jié)律信號(hào)
日期:2023-04-03 11:31:53

低溫是一種常見的非生物脅迫因素,它可以影響和改變植物生理活性和發(fā)育過程。植物在生長(zhǎng)和發(fā)育過程中使用各種調(diào)節(jié)機(jī)制來應(yīng)對(duì)低溫條件,并通過冷馴化過程為冰凍溫度做準(zhǔn)備。葉綠體對(duì)植物生產(chǎn)力至關(guān)重要,需要擁有對(duì)低溫的適應(yīng)能力,因?yàn)榈蜏貢?huì)影響光保護(hù)、質(zhì)體基因組轉(zhuǎn)錄、膜組成、活性氧代謝、翻譯和光系統(tǒng) II (PSII)激發(fā)的諸多方面的壓力大小。葉綠體對(duì)低溫條件的短期和長(zhǎng)期適應(yīng)有一套機(jī)制。這些來源于影響葉綠體功能的核編碼蛋白質(zhì)和葉綠體內(nèi)對(duì)冷的直接反應(yīng)。例如,冷誘導(dǎo)、核編碼和質(zhì)體定位的蛋白質(zhì)COR15A在提供耐凍性方面具有關(guān)鍵作用。COR15A位于葉綠體基質(zhì)上,被認(rèn)為可以穩(wěn)定葉綠體膜,以響應(yīng)冷凍誘導(dǎo)的細(xì)胞脫水期間發(fā)生的分子擁擠。 此外,葉綠體定位的半乳糖脂半乳糖基轉(zhuǎn)移酶SENSITIVE TO FREEZING2在冷凍過程中響應(yīng)細(xì)胞質(zhì)酸化而變得活躍,重塑葉綠體外包膜以提高冷凍耐受性。在葉綠體內(nèi),低溫會(huì)導(dǎo)致快速和可逆的光抑制,這被認(rèn)為可以保護(hù)光合裝置在寒冷存在下免受生化活性降低,包括降低PSII修復(fù)率。此外,適度的溫度降低可以改變?nèi)~綠體核糖體的占有率,增加特定葉綠體基因的翻譯。

大多數(shù)葉綠體蛋白由核基因組編碼,但葉綠體也包含一個(gè)小的環(huán)狀基因組,編碼光合裝置和葉綠體基因表達(dá)機(jī)制的基本成分。葉綠體編碼基因由兩種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄:質(zhì)體編碼的質(zhì)體RNA聚合酶(PEP)和核編碼質(zhì)體RNA聚合酶。PEP 是一種細(xì)菌樣多亞基 RNA 聚合酶,需要 σ70類sigma因子進(jìn)行啟動(dòng)子識(shí)別和轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。Sigma因子被認(rèn)為在植物的進(jìn)化歷史中從質(zhì)體基因組轉(zhuǎn)移到核基因組,從而為質(zhì)體轉(zhuǎn)錄的核控制提供了機(jī)制。擬南芥(Arabidopsis thaliana)核基因組編碼六種sigma因子(SIGMA FACTOR1 (SIG1)-SIG6),這些因子在葉綠體生物發(fā)生和穩(wěn)態(tài)光合作用期間控制葉綠體轉(zhuǎn)錄。質(zhì)體sigma因子的核編碼被認(rèn)為提供了一組從細(xì)胞核到質(zhì)體的信號(hào)通路。例如,sigma因子SIG5參與葉綠體對(duì)光照條件的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)各種非生物脅迫以及特定葉綠體轉(zhuǎn)錄本的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)。

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Dora L. Cano-Ramirez等人2023年3月30日發(fā)表在Nature Plants上的最新研究成果確定了SIG5在植物對(duì)低溫條件的響應(yīng)中的新作用。研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中,控制葉綠體轉(zhuǎn)錄的核編碼sigma因子(SIG5)有助于適應(yīng)低溫條件。該過程涉及通過 bZIP 轉(zhuǎn)錄因子 ELONGATED HYPOCOTYL5 和 ELONGATED HYPOCOTYL5 HOMOLOG 調(diào)節(jié) SIGMA FACTOR5 表達(dá)以響應(yīng)寒冷。該通路對(duì)寒冷的反應(yīng)受生物鐘控制,在長(zhǎng)期寒冷和冰凍暴露期間提高光合效率。他們確定了一個(gè)整合低溫和晝夜節(jié)律信號(hào)的過程,并調(diào)節(jié)葉綠體對(duì)低溫條件的響應(yīng)。

本研究中,擬南芥的培養(yǎng)使用了Conviron培養(yǎng)箱;擬南芥PSII光合效率,通過Maxi-Imaging-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量;擬南芥葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)由MINI-PAM葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定。

以下是部分研究結(jié)果:


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SIG5向葉綠體傳達(dá)有關(guān)低溫條件的信息需要HY5和HYH

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SIG5和葉綠體psbD BLRP對(duì)冷脅迫反應(yīng)的晝夜節(jié)律控制,以及HY5和HYH參與該過程的表現(xiàn)。

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SIG5整合的調(diào)控過程可以使擬南芥在適應(yīng)低溫的條件下保持光合效率

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SIG5參與擬南芥低溫響應(yīng)的模型

—— 文獻(xiàn)原文 ——

Cano-Ramirez, D.L., Panter, P.E., Takemura, T. et al. Low-temperature and circadian signals are integrated by the sigma factor SIG5. Nature Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01377-1.

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