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青島農(nóng)大孔英珍課題組揭示植物精細(xì)調(diào)控細(xì)胞壁果膠質(zhì)甲酯化修飾程度的新機(jī)制
果膠質(zhì)是植物細(xì)胞壁的主要成分之一。果膠質(zhì)在高爾基體合成時，其半乳糖醛酸殘基（GalA）是高度甲酯化的狀態(tài)。當(dāng)甲酯化的果膠被分泌到胞外后，在果膠甲酯酶（PME）和果膠甲酯酶抑制劑（PMEI）的共同作用下進(jìn)行去甲酯化過程。果膠質(zhì)的甲酯化程度會影響細(xì)胞壁的流變特性，進(jìn)而與植物生長發(fā)育和抗逆、抗病等過程密切相關(guān)。因此，果膠質(zhì)去甲酯化過程需要受到植物的時空調(diào)節(jié)。然而，目前對于植物如何精細(xì)調(diào)控果膠質(zhì)甲酯化修飾程度進(jìn)而調(diào)節(jié)生長發(fā)育過程以對內(nèi)外部環(huán)境做出響應(yīng)的分子機(jī)制還不明確。
2020年12月14日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)孔英珍課題組在The Plant Cell在線發(fā)表了題為ERF4 and MYB52 transcription factors play antagonistic roles in regulating homogalacturonan de-methylesterification in Arabidopsis seed coat mucilage的研究論文，揭示了植物精細(xì)調(diào)控細(xì)胞壁果膠質(zhì)甲酯化修飾程度的新機(jī)制。
AP2/ERF基因超家族的成員ERF4是一個轉(zhuǎn)錄抑制因子，參與植物莖節(jié)伸長、抗病和衰老等過程，但其是否參與植物細(xì)胞壁的合成與修飾尚未有報道。該研究發(fā)現(xiàn)，ERF4在發(fā)育早期的種子表皮細(xì)胞中高表達(dá)，并且與參與果膠質(zhì)甲酯化修飾的基因如MYB52、STK、SBT1.7等共表達(dá)，暗示其可能具有相似的功能。
通過一系列對erf4突變體種子粘液質(zhì)的生化、分子和遺傳學(xué)分析，該研究揭示了ERF4通過抑制PMEI和SBT1.7基因的表達(dá)，促進(jìn)果膠質(zhì)去甲酯化。孔英珍課題組曾鑒定到一個MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB52負(fù)向調(diào)控果膠質(zhì)去甲酯化過程（Shi et al., 2018）。由于PMEI14和SBT1.7等基因受到ERF4和MYB52共同但是作用相反的調(diào)控，作者進(jìn)一步探索了ERF4和MYB52轉(zhuǎn)錄因子的關(guān)系。酵母雙雜交、Co-IP、BiFC、EMSA和轉(zhuǎn)錄激活等實驗證據(jù)表明，ERF4和MYB52轉(zhuǎn)錄因子通過其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域AP2/ERF和MYB domain互作，通過互相抑制彼此的DNA結(jié)合能力，相互拮抗的調(diào)控下游基因的表達(dá)。
總之，該研究揭示了ERF4和MYB52轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體在植物精細(xì)調(diào)控細(xì)胞壁果膠質(zhì)甲酯化修飾程度中的重要角色，探究了其與已經(jīng)發(fā)表的調(diào)控果膠質(zhì)甲酯化修飾的轉(zhuǎn)錄因子之間的關(guān)系并提出了相應(yīng)的分子調(diào)控模型：PMEI13和PMEI15主要受到ERF4的轉(zhuǎn)錄抑制調(diào)控，同時MYB52通過拮抗ERF4的DNA結(jié)合能力間接促進(jìn)PMEI13和PMEI15的表達(dá)；相反，PMEI6主要受到MYB52的轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控，但同時又受到ERF4間接的的轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控；PMEI14和SBT1.7則同時受到二者相反作用的調(diào)控。erf4 myb52雙突變體的果膠質(zhì)表現(xiàn)為野生型表型，進(jìn)一步說明ERF4和MYB52的拮抗作用是一種植物精細(xì)調(diào)控果膠質(zhì)甲酯化修飾程度的分子機(jī)制。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所丁安明博士和中國科學(xué)院青島能源與過程研究所唐賢豐博士為該論文的共同作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)孔英珍教授為通訊作者。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、山東省泰山學(xué)者等項目資助。
孔英珍課題組長期致力于植物細(xì)胞壁多糖合成與調(diào)控相關(guān)的研究，迄今為止，與其合作者已經(jīng)系統(tǒng)鑒定了參與果膠質(zhì)甲酯化合成的GATL基因家族（Kong et al., Plant Physiology 2011; 2013）；參與半纖維素合成的XUT1、MUR3、CSLD2、IRX7、IRX14、MUR2等基因（Kong et al., Plant Cell 2012；Kong et al., Plant Physiology 2015；Yu et al., Plant Physiology 2014；Hu et al., Journal of Experimental Botany 2016; Hu et al., Plant Molecular Biology 2016；Shi et al., Plant Molecular Biology 2017）; 調(diào)控果膠質(zhì)甲酯化修飾過程的轉(zhuǎn)錄因子BLH2/4（Xu et al., Plant Physiology 2020）和MYB52(Shi et al., Plant Physiology 2018)；調(diào)控纖維素合成的HDG2轉(zhuǎn)錄因子（Kong et al., Plant Physiology 2020, doi: 10.1093/plphys/kiaa007/5985557）。這些研究為終解析植物細(xì)胞壁多糖，尤其是初生細(xì)胞壁多糖的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。