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周奕華研究組在植物細胞擴展與細胞壁加厚協同調控研究中取得新進展

  植物爲膨壓驅動的可塑性固著生長模式。植物的生命活動取決于細胞的分化、增殖、生長和成熟等過程。細胞壁作爲植物細胞特征性結構,參與了植物生命活動的衆多方面,尤其在細胞形態與功能決定方面發揮重要作用。植物細胞生長包括細胞擴展和細胞壁加固兩個過程。細胞擴展需要松馳細胞壁,而細胞擴展過程中細胞壁需要加固以維持細胞一定的形態、大小與功能。爲此,植物需對細胞擴展和細胞壁加固進行精准協調。但植物細胞生長的精准調控機制仍相當不清楚。 

 

  中國科學院遗传與发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室周奕华研究组通过应用多学科手段揭示了水稻细胞生长协同调控因子、Homeobox蛋白KNAT7調控細胞擴展和細胞壁加固的分子機制。由于細胞生長模式很大程度上取決于細胞壁纖維素的合成與排列,通過對纖維素合酶基因的共表達分析遴選出調控因子KNAT7。應用基因編輯手段創制了該基因的功能缺失突變體,發現knat7中纖維細胞的細胞壁厚度增加,莖稈機械強度增強;同時突變體籽粒增大、穎殼表皮細胞變長變寬。深入研究發現,KNAT7與細胞壁合成的頂層轉錄因子NAC31直接相互作用,抑制其下遊基因CESAs的表達,調控細胞壁加厚;另一方面,KNAT7與水稻生長調控因子GRF4互作,抑制其下遊基因Expansin等的表達,調控細胞擴展。在發育的莖稈節間和幼穗中開展基因表達和細胞學分析發現,KNAT7NAC31GRF4的表达时空與细胞生长的转换节点相吻合,验证了KNAT7及其互作因子的體內作用模式。而進一步的研究表明,KNAT7對細胞擴展和細胞壁加厚的協調作用可發生在不同組織的同一種細胞、纖維細胞中。該項研究解析了KNAT7協調纖維細胞擴展和細胞壁加厚的機制,爲協同改良水稻植株機械支撐力和産量提供了依據和基因資源。 

 

  該研究于2019729日在Plant Physiology雜志上在線發表(DOI:10.1104/pp.19.00639)。周奕華研究組的博士後王少幹和博士研究生楊晗蕾爲該論文的共同第一作者,周奕華研究員和張保才副研究員爲通訊作者。該研究得到農業部、國家自然科學基金委、中科院青促會的資助。 

 

圖:KNAT7協同調控細胞擴展和細胞壁加厚的模式圖 

 
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