PNAS | 转录调控网络分析揭示光受体在玉米叶片表皮发育中的重要作用

来源：BioArt植物

植物表皮沉积的角质层可以作为陆地植物表皮上的疏水性屏障发挥作用，角质层由蜡质和角质组成，可以限制叶片非气孔性水分散失，从而使植物能够适应陆地环境【1】。研究表明，蜡质和角质都由植物表皮质体中长链脂肪酸（C16和C18）从头合成，这些长链脂肪酸转化为酰基辅酶A，然后被转运到内质网产生蜡质合成前体物质。之后，这些物质分别被修饰为蜡质和角质单体并经过跨膜运输进入质外体并沉积在表皮【2】。此外，之前的研究在玉米幼叶表皮上鉴定了超过30个表皮蜡质的沉积位点，并克隆了8个在表皮生物合成和转录调控中发挥关键作用的基因【3,4】。但是关于玉米叶片中表皮形成和相关功能的遗传基础尚不清楚。

近日，美国康奈尔大学的研究人员在PNAS在线发表了一篇题为Transcriptomic network analyses shed light on the regulation of cuticle development in maize leaves的研究论文，揭示了玉米表皮发育的调控机制。

该研究组最近的研究表明，成熟玉米叶片的表皮发育从遮光的叶基部到光下的尖端呈现梯度发育，长链蜡质组分和角质单体的丰度逐渐增加【4】。在此基础上，该研究沿该梯度将玉米叶片进行激光显微切割并将处于不同发育阶段且具有不同表皮成分的叶片进行RNA-seq分析，以获得与表皮生化变化相吻合的候选基因。

通过共表达网络分析（weighted gene coexpression network，WGCN），该研究鉴定了参与调节玉米表皮生物合成的潜在候选基因，并通过GO分析发现光响应相关基因的富集，其中包括5个PHYTOCHROMES（PHYs; PHYA1, PHYA2, PHYB1, PHYC1, PHYC2），但是这些光受体在叶片表皮发育中的作用未曾被研究描述。

该研究进一步通过遗传分析发现，phyB1phyB2 玉米双突变体的表皮组成异常，总烷烃和总游离脂肪酸水平增加，表明PHYB介导的光信号传导可能抑制成熟玉米叶片光照区域中特定表皮成分积累。此外，该研究还在苔藓中进行了反向遗传分析，发现苔藓的phy突变体也表现出异常的角质层组成，这表明在植物进化过程中，PHYTOCHROM介导的光信号传导可能是促进陆地植物表皮发育的关键步骤。

因此，该研究通过转录调控网络分析发现，PHYTOCHROME光受体在陆地植物进化过程中的表皮发育中发挥关键作用。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/05/15/2004945117