山东大学侯丙凯团队发现IPyA糖基化是调控植物生长素合成的关键“分水岭”

来源：BioArt植物

原标题：PNAS ： 山东大学侯丙凯团队发现IPyA糖基化是调控植物生长素合成的关键“分水岭”

光和环境温度是调节植物生长发育的两个重要因素，而植物激素在其中发挥着关键调节作用。外界环境信号通过内源激素信号传递构成的信号网络是植物适应性生长的基础。但是，光和温度信号如何影响激素动态平衡进而调节植物生长发育，其分子机制了解很少。

2020年3月9日，山东大学生命科学学院、植物发育与环境适应生物学教育部重点实验室侯丙凯教授研究组以直接投稿的方式在PNAS 发表了题为IPyA glucosylation mediates light and temperature signaling to regulate auxin-dependent hypocotyl elongation in Arabidopsis 的研究论文。该研发发现了在光和较高的温度下，生长素前体IPyA的糖基化是调控植物激素生长素合成的关键“分水岭”，进而调节植物的光温适应性生长。

生长素作为一类植物激素，在植物的生命周期中，特别是在植物对不断变化的外界环境产生的适应性生长反应中，起着至关重要的作用。由于植物对生长素的反应是浓度依赖性的，低浓度促进生长而高浓度抑制生长，因此必须严格控制内源性植物生长素维持其最佳水平。

侯丙凯研究组从拟南芥中鉴定出一种新型的UDP-糖基转移酶基因UGT76F1，发现该基因的表达受光信号诱导显著上调，而在较高温度（28℃）下显著下调。在红光、蓝光以及白光下突变体的下胚轴长度比野生型更长，而过表达体则出现相反变化。在22℃和28℃的培养条件下，突变体都比对照的下胚轴更长，而过表达体则更短，但28℃下突变体和过表达体与野生型相比的差值进一步加大。由于发现UGT76F1基因在pif4突变体中上调表达，在PIF4过表达体中下调表达，推测该基因受PIF4负调控。随后，该研究利用酵母单杂交实验、ChIP实验、LUC实验证实了PIF4与UGT76F1启动子直接结合并且负调节UGT76F1的表达。进一步发现，pif4ugt76f1双突变体能够恢复pif4单突变体的短胚轴表型，而35S:PIF4/35S:UGT76F1则抑制单一过表达PIF4导致的长胚轴表型。

为了加深理解糖基转移酶UGT76F1发挥作用的分子机制，研究人员进行了体内和体外的生化实验，发现UGT76F1能够特异性地对生长素的主要前体吲哚丙酮酸（IPyA）进行糖基化修饰，形成IPyA葡萄糖苷（IPyA-Glc），而对活性生长素（IAA）本身却没有活性。分析野生型、突变体以及过表达体内的IPyA-Glc，发现与UGT76F1生化功能相一致，突变体产生了更少的IPyA-Glc，而过表达体积累了更多的IPyA-Glc。同时，作者还分析了pif4突变体中IPyA-Glc的水平，发现pif4突变体具有显著增高的IPyA-Glc水平，这一结果与PIF4负调控UGT76F1的结论是一致的。

最后，研究人员分析了UGT76F1的生化功能对生长素动态平衡的调节作用，发现UGT76F1的突变显著增加了IAA的积累，而UGT76F1过表达则降低了内源IAA水平。说明UGT76F1能够控制IAA生物合成的代谢流，参与生长素稳态调节。先前已有研究报道PIF4是光温信号通路的整合因子，具有正调控生长素合成关键酶YUCs 的功能（Sun et al., 2012; Liu et al., 2016; Ma et al., 2016）。该研究中作者调查了UGT76F1与YUCs的不同作用效果，证实UGT76F1具有拮抗YUCs的作用。在PIF4 对UGT76F1和YUCs的协同控制下，通过光和温度依赖的方式共同调节活性生长素的水平并控制植物的下胚轴伸长。

综上，该项研究成果为理解植物是如何根据外界环境变化调控生长素的动态平衡提供了新的思路，发现了在PIF4作用下权衡IAA生物合成与IPyA-Glc形成两者之间关系的重要性，表明了IPyA-Glc形成是控制生长素生物合成的关键“分水岭”事件，揭示了通过调节IPyA糖基化使植物生长适应光和温度环境变化的新机制。

侯丙凯研究团队长期以来系统研究植物分子糖基化修饰的生物学功能与调控机制，近年来相继在The Plant J （2016），The Plant J （2017），Plant Physiol（2018），Plant Physiol（2019），PNAS (2020) 等国际著名期刊发表论文，不断揭示植物分子糖基化调控植物生长发育和环境适应的功能作用。本次研究成果山东大学为第一和通讯作者单位，课题组博士研究生陈璐为论文的第一作者，侯丙凯教授为通讯作者。湖南农业大学肖浪涛教授、童建华老师以及山东大学丁兆军教授参与了该工作。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。