The Plant Cell | 以色列植物研究所揭示植物形态建成的分子机制

2025年3月以色列植物科学研究所Yogev Burko在The Plant Cell期刊上发表了题为Species-specific PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR utilization in the plant morphogenetic response to environmental stimuli的研究论文。该研究以番茄对象,解析了光敏色素互作蛋白(PIFs)在番茄形态建成中的作用,并与拟南芥中的已知功能的PIFs进行比较,探讨了物种间PIFs活性的保守性。

番茄和拟南芥在栽培中均会发生严重的庇荫反应但PIFs的作用存在较大差异,拟南芥主要参与庇荫反应调控的基因为AtPIF4,而番茄中SlPIF8a发挥主要作用;与拟南芥不同,番茄中PIFs并非热形态建成诱导茎伸长所必需的因素。

该文章利用8个番茄PIFs基因及5个拟南芥SlPIF家族突变体进行对比研究,发现SlPIF8a是远红光下响应番茄庇荫反应的关键调控因子,其功能与拟南芥中 PIF7类似,促进植物茎伸长

图1. 番茄低R/FR响应的核心调控因子--SIPIF8a

研究表明,在番茄生长中,高温白光条件下热形态发生诱导的茎伸长不依赖于SlPIF4、SlPIF7a、SlPIF7b 和 SlPIF8a;而远红光条件下,高温会依赖的SlPIF来增强茎的伸长反应,这一机制与拟南芥相反。

图2.SlPIF4 和 SlPIF7s 在低 R/FR 响应中的次要冗余作用

番茄中SIPIF8a与拟南芥PIF7共享部分分子机制,表明不同物种间存在一定进化保守性。SlPIF8a 在低 R/FR 条件下发生蛋白修饰(与拟南芥PIF7的磷酸化相似),结合At-PIL1启动子(拟南芥PIF7靶基因),并调控下游基因( ATHB2同源基因)。

图3.SlPIF8a 的蛋白修饰及基因表达调控机制

SIPIF8a通过器官特异性调控机制驱动番茄茎伸长在下胚轴中,SIPIF8a通过上调细胞伸长相关基因(如EXPA2、XTH1)促进生长;而在上胚轴中,则特异性激活细胞分裂相关基因(如CYCLIN B1、KINESIN)以响应低R/FR信号。与拟南芥依赖单一伸长机制的策略不同,番茄通过下胚轴细胞伸长与上胚轴细胞分裂的协同作用实现避荫反应。

图4.器官特异性基因表达揭示激素与细胞调控网络
图4.器官特异性基因表达揭示激素与细胞调控网络

番茄通过SIPIF8a主导的器官特异性调控网络响应低红/远红光,其功能独立于高温信号,揭示了作物避荫反应的物种特异性分子机制,通过对SlPIF8a进行敲除,创制了一份对庇荫反应不敏感的番茄材料,为高密度种植育种提供新靶点。

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