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Plant Cell Environ. | 谢启光/徐小冬合作揭示大豆生物钟基因在近日节律和开花时间调控中的关键作用
2019-11-15

大豆生物钟PCE封面投稿图)


11月14日,Plant Cell & Environment在线发表了谢启光徐小冬课题组合作完成的题为 Light- and temperature-entrainable circadian clock in soybean development 的研究论文。该研究利用毛状根体系分析了大豆生物钟响应环境光温信号的特性,并揭示出大豆LCL基因家族在近日节律和开花时间调控中的关键作用。



大豆是重要的粮食作物和优质的牲畜饲料,是典型的短日照植物,对光周期十分敏感,导致不同品种的大豆仅适合在较窄纬度范围种植【1】生物钟调控植物生长、发育和胁迫响应等生物学进程,使之与环境近24小时周期性变换同步化,进而增强植物对昼夜变化和季节变化的适应能力【2,3】生物钟是植物光周期相关表型的内源核心分子调控机制,已有研究表明生物钟组分的自然变异在农作物引种驯化中至关重要【4,5】

 

大豆是古四倍体植物,研究者通过氨基酸序列比对分析发现大豆中存在4个CCA1/LHY同源蛋白和14和PRRs同源蛋白,其在一天当中不同时间点达到表达峰值,暗示大豆生物钟存在更为精细的调控机制适应内外环境因子的变化。为了建立一个简便、精确、高通量检测大豆生物钟的方法,研究者利用大豆毛状根实验体系对大豆GmLCLb2GmPRR9b1启动子驱动的荧光素酶活性进行检测分析,发现在持续光照、温度的条件下GmLCLb2GmPRR9b1启动子活性具有稳定的节律性(周期约26小时),确立了该方法的可行性。

 

为了研究大豆生物钟对环境信号的响应,研究者利用相位相反的光暗或温差条件对大豆毛状根进行4天的驯化,发现大豆生物钟较短时间内可实现与环境同步化,表明大豆生物钟对光暗周期和温度周期感知较为敏感。光强响应曲线(fluence response curve,FRC)分析的结果表明在持续红光或蓝光条件下,大豆生物钟周期随着光强的增加而缩短;相位响应曲线(phase response curve,PRC)分析的结果表明大豆生物钟可被光、低温信号重置(图1)上述经典的分析生物钟响应环境信号的实验策略通过恒定转化报告基因的大豆毛状根实验体系得以实施,结果表明大豆生物钟可快速响应环境中光强、光质和温度变化,保持一天中生理和生化反应与环境同步化。


图1 利用相位响应曲线(PRC)分析大豆生物钟对环境光和温度信号的响应


拟南芥AtCCA1和AtLHY是生物钟核心组分,其表达缺失突变体表现出下胚轴缩短、开花时间提前、抗冻性降低等多方面的表型;大豆存在4个CCA1/LHY同源蛋白(GmLCLa1、GmLCLa2、GmLCLb1和GmLCLb2),对其生物学功能的研究尚属空白。研究者利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了GmLCLs敲除的四重突变体,利用毛状根实验体系分析发现GmLCLs突变体生物钟周期缩短,与持续检测叶片运动的结果相一致。GmLCLs突变体表现出开花时间延迟的发育表型,暗示着生物钟调控的光周期依赖开花在拟南芥和大豆中存在不同的分子机制(图2)


图2 大豆GmLCLs调控节律维持和开花时间


综上所述,该研究利用大豆毛状根实验体系分析大豆生物钟的重要特性,表明大豆生物钟对环境光、温信号响应敏感;发现大豆GmLCLs缺失导致生物节律周期变短,植物开花时间延迟。该研究为深入解析大豆生物钟分子作用机理建立了高效的分析方法,为植物内源生物钟机制在农业生产上的应用研究奠定了基础。

 

该成果为河北师范大学、河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室、广州大学和中国农业科学院作物研究所共同协作完成。王禹袁力苏童为第一作者,谢启光教授、徐小冬教授为通讯作者,孔凡江教授、宋纯鹏教授、张骁教授、傅永福研究员为重要合作者。该研究得到国家自然科学基金项目、教育部新世纪优秀人才支持计划、河北省百人计划等项目资助。

 

谢启光教授和徐小冬教授长期从事植物时间生物学研究,建立了从生理水平、组织及细胞水平、分子水平高通量自动化的近日节律监测平台,用于揭示植物/作物生物钟及其参与关键农艺性状调控的机理。

 

参考文献:
[1] Miladinovic J, Ceran M, Dordevic V, Balesevic-Tubic S, Petrovic K, Dukic V, et al. Allelic Variation and Distribution of the Major Maturity Genes in Different Soybean Collections. Front Plant Sci. 2018;9:1286.
[2] McClung CR. The Plant Circadian Oscillator. Biology. 2019;8.
[3] Bendix C, Marshall CM, Harmon FG. Circadian Clock Genes Universally Control Key Agricultural Traits. Mol Plant. 2015;8:1135-52.
[4] Lu S, Zhao X, Hu Y, Liu S, Nan H, Li X, et al. Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield. Nat Genet. 2017;49:773-9.
[5] Muller NA, Wijnen CL, Srinivasan A, Ryngajllo M, Ofner I, Lin T, et al. Domestication selected for deceleration of the circadian clock in cultivated tomato. Nat Genet. 2016;48:89-93.

原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.13678

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