Science Advances[IF11.7]|沈陽農(nóng)大李天來院士團(tuán)隊(duì)許濤教授課題組解決"抑制脫落的生長素梯度形成機(jī)制"重大科學(xué)問題
植物器官脫落是植物適應(yīng)發(fā)育需求與環(huán)境變化的關(guān)鍵生物學(xué)過程，直接影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。生長素作為抑制脫落的核心激素，其梯度分布抑制脫落的理論已經(jīng)提出了數(shù)十余年，然而，生長素梯度建立及調(diào)控的分子機(jī)制仍未解析。此外，環(huán)境脅迫（如弱光）如何破壞生長素梯度并觸發(fā)脫落，亦是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題。
近日，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)李天來院士團(tuán)隊(duì)許濤課題組在Science子刊Science Advances上發(fā)表了題為A KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX PROTEIN1-interacting tranion factor SlGATA6 maintains the auxin-response gradient to inhibit abscission的研究論文。研究利用多組學(xué)聯(lián)用技術(shù)，結(jié)合分子生物學(xué)和遺傳學(xué)手段，系統(tǒng)鑒定出調(diào)控生長素梯度形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 SlGATA6，明確了生長素信號(hào)梯度形成的關(guān)鍵分子環(huán)節(jié)，揭示了弱光逆境通過破壞生長素梯度觸發(fā)器官脫落的分子通路，并在馬鈴薯、茄子和辣椒等主要茄科作物中驗(yàn)證了該調(diào)控通路的保守性。這項(xiàng)研究不僅解答了自 1955 年 Addicott 教授在 Science 雜志提出的"抑制脫落的生長素梯度形成機(jī)制"這一重大科學(xué)問題，更為作物器官脫落的遺傳改良提供了全新理論框架，對提升番茄等園藝作物的抗逆性和產(chǎn)量穩(wěn)定性具有重要指導(dǎo)意義。
在課題組前期的研究中（Plant Cell, 2022. doi: 10.1093/plcell/koac254.），已經(jīng)證明 KNOX 家族轉(zhuǎn)錄因子 SlKD1 是破壞生長素梯度促進(jìn)脫落發(fā)生的關(guān)鍵，但由于 SlKD1 缺乏 DNA 結(jié)合區(qū)域，暗示其可能依賴其他轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮作用。在該研究中，通過酵母雙雜交篩選獲得與 SlKD1 直接互作的轉(zhuǎn)錄因子 SlGATA6，并利用 Pull-down、免疫共沉淀和雙分子熒光互補(bǔ)等試驗(yàn)證實(shí)二者之間的相互作用。功能分析表明 SlGATA6 是脫落的關(guān)鍵抑制因子。通過整合 RNA-seq、DNA-seq 等組學(xué)數(shù)據(jù)與遺傳學(xué)證據(jù)，明確生長素運(yùn)輸載體 SlLAX2 和 Aux/IAA 蛋白 SlIAA3 作用于 SlGATA6 下游參與抑制器官脫落。進(jìn)一步對 SlLAX2 和 SlIAA3 的功能研究表明：SlLAX2 對維持離區(qū)生長素積累和信號(hào)輸出至關(guān)重要，其介導(dǎo)的高濃度生長素通過穩(wěn)定非典型 AUX/IAA 蛋白 SlIAA32 來抑制脫落，且 SlIAA32 與 SlIAA3 功能不冗余。
鑒于 SlGATA6 調(diào)控生長素運(yùn)輸載體 SlLAX2的表達(dá)，該研究通過生長素特異性抗體的免疫熒光雜交技術(shù)及離區(qū)組織切片分析，在細(xì)胞層面揭示了生長素的空間分布模式，首次實(shí)現(xiàn)了生長素梯度的空間維度解析，證實(shí)了 SlGATA6 是維持這一梯度的關(guān)鍵。通過免疫熒光雙標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SlIAA3 與 SlIAA32 蛋白信號(hào)強(qiáng)度在遠(yuǎn)軸端到近軸端方向呈現(xiàn)相反的分布規(guī)律，即遠(yuǎn)軸端 SlIAA32 信號(hào)強(qiáng)，SlIAA3 信號(hào)弱，近軸端則反之。值得注意的是，SlIAA32 和 SlIAA3 的總信號(hào)強(qiáng)度由遠(yuǎn)軸端到近軸端顯著減弱，形成了離區(qū)生長素的信號(hào)梯度。由于 SlIAA32 和 SlIAA3 均可以提高生長素信號(hào)，且破壞 SlIAA32 和 SlIAA3 的功能都能夠?qū)е律L素信號(hào)嚴(yán)重受損，表明 SlIAA32 和 SlIAA3 是建立生長素響應(yīng)梯度的關(guān)鍵因子。
圖1 SlGATA6 調(diào)控離區(qū)生長素分布及信號(hào)梯度形成。A-B 野生型、Slgata6 和 Sllax2 植株花柄離區(qū)的 IAA 定位。C-D 生長素?zé)晒鈴?qiáng)度量化圖。F-G 野生型和 Slgata6 植株花柄離區(qū)中 SlIAA32 和 SlIAA3 的免疫定位。H-I SlIAA32 和 SlIAA3 熒光強(qiáng)度量化。
在課題組前期研究中已證實(shí) SlKD1 在弱光誘導(dǎo)脫落過程中起核心調(diào)控作用。通過 EMSA 等分子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SlKD1 通過其 KNOX2 結(jié)構(gòu)域與 SlGATA6 的 C 端 ZnF 結(jié)構(gòu)域相互作用，進(jìn)而抑制 SlGATA6 對下游靶基因 SlLAX2 和 SlIAA3的轉(zhuǎn)錄激活能力，最終導(dǎo)致生長素梯度破壞和脫落發(fā)生。遺傳學(xué)證據(jù)表明，SlKD1 位于 SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3 調(diào)控模塊的上游，通過該模塊調(diào)控脫落過程?；谶@些發(fā)現(xiàn)，該研究構(gòu)建了弱光信號(hào)通過 SlKD1-SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3-SlARF2a 分子模塊促進(jìn)器官脫落的完整調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
圖2 SlGATA6-SlLAX2/SlIAA3 模塊維持離區(qū)生長素梯度抑制脫落發(fā)生示意圖
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SlKD1 的 KNOX2 結(jié)構(gòu)域和 SlGATA6 的 ZnF 結(jié)構(gòu)域在茄科植物（包括馬鈴薯、茄子和辣椒）中表現(xiàn)出高度的進(jìn)化保守性。通過病毒誘導(dǎo)基因沉默技術(shù)分別沉默這些物種中的 KD1 或 GATA6 同源基因后，證實(shí)了 KD1-GATA6 調(diào)控模塊在茄科植物弱光誘導(dǎo)花器官脫落過程中具有保守的生物學(xué)功能。這一發(fā)現(xiàn)不僅為深入解析生長素調(diào)控器官脫落的分子機(jī)制提供了新的見解，并為開發(fā)環(huán)境友好型?；ū９苿┑於酥匾姆肿踊A(chǔ)，和培育超高產(chǎn)、多抗的番茄新品種提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。
沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)李天來院士團(tuán)隊(duì)許濤教授為該論文的獨(dú)立通訊作者，2021級(jí)博士研究生劉顯鳳為該論文第一作者。李天來院士及美國加州大學(xué)戴維斯分校蔣才忠教授對該研究做出了重要的指導(dǎo)。課題組成員齊明芳教授、劉興安教授、孟思達(dá)副教授、成麗娜博士后、葛思琪博士、王賽博士、李瑞禎博士、蔡月博士、劉洋博士、閆雪梅碩士和劉佳韻碩士參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目和青年科學(xué)基金項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
據(jù)悉，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)許濤教授長期致力于園藝作物設(shè)施逆境障礙與調(diào)控機(jī)制的研究，在植物器官脫落與調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列突破性進(jìn)展。近五年，以通訊作者在 Science Advances（2025）、the Plant Cell（2025, 2022）、Journal of Integrative Plant Biology（2024）、Plant Physiology（2024, 2022, 2021a, 2021b）和 the Plant Journal（2020）等國內(nèi)外知名期刊上發(fā)表了一系列研究成果，系統(tǒng)揭示了園藝作物器官脫落調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。相關(guān)成果為園藝作物產(chǎn)量的提升及抗逆種質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)制提供了重要的理論支撐，也為環(huán)境友好型抗脫落制劑的研發(fā)開辟了新思路。部分研究成果獲神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)、遼寧省科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等省部級(jí)科研獎(jiǎng)勵(lì)。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1891
文章中GUS染色使用了GUS染色試劑盒（貨號(hào)：RTU4032）。
