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青島農大孔英珍課題組揭示植物精細調控細胞壁果膠質甲酯化修飾程度的新機制
果膠質是植物細胞壁的主要成分之一。果膠質在高爾基體合成時，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）的共同作用下進行去甲酯化過程。果膠質的甲酯化程度會影響細胞壁的流變特性，進而與植物生長發(fā)育和抗逆、抗病等過程密切相關。因此，果膠質去甲酯化過程需要受到植物的時空調節(jié)。然而，目前對于植物如何精細調控果膠質甲酯化修飾程度進而調節(jié)生長發(fā)育過程以對內外部環(huán)境做出響應的分子機制還不明確。
2020年12月14日，青島農業(yè)大學孔英珍課題組在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，揭示了植物精細調控細胞壁果膠質甲酯化修飾程度的新機制。
AP2/ERF基因超家族的成員ERF4是一個轉錄抑制因子，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胞壁的合成與修飾尚未有報道。該研究發(fā)現，ERF4在發(fā)育早期的種子表皮細胞中高表達，并且與參與果膠質甲酯化修飾的基因如MYB52、STK、SBT1.7等共表達，暗示其可能具有相似的功能。
通過一系列對erf4突變體種子粘液質的生化、分子和遺傳學分析，該研究揭示了ERF4通過抑制PMEI和SBT1.7基因的表達，促進果膠質去甲酯化?？子⒄湔n題組曾鑒定到一個MYB轉錄因子MYB52負向調控果膠質去甲酯化過程（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控，作者進一步探索了ERF4和MYB52轉錄因子的關系。酵母雙雜交、Co-IP、BiFC、EMSA和轉錄激活等實驗證據表明，ERF4和MYB52轉錄因子通過其DNA結合結構域AP2/ERF和MYB domain互作，通過互相抑制彼此的DNA結合能力，相互拮抗的調控下游基因的表達。
總之，該研究揭示了ERF4和MYB52轉錄因子復合體在植物精細調控細胞壁果膠質甲酯化修飾程度中的重要角色，探究了其與已經發(fā)表的調控果膠質甲酯化修飾的轉錄因子之間的關系并提出了相應的分子調控模型：PMEI13和PMEI15主要受到ERF4的轉錄抑制調控，同時MYB52通過拮抗ERF4的DNA結合能力間接促進PMEI13和PMEI15的表達；相反，PMEI6主要受到MYB52的轉錄激活調控，但同時又受到ERF4間接的的轉錄負調控；PMEI14和SBT1.7則同時受到二者相反作用的調控。erf4 myb52雙突變體的果膠質表現為野生型表型，進一步說明ERF4和MYB52的拮抗作用是一種植物精細調控果膠質甲酯化修飾程度的分子機制。
中國農業(yè)科學院煙草研究所丁安明博士和中國科學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，青島農業(yè)大學孔英珍教授為通訊作者。相關研究得到了國家自然科學基金、中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程、山東省泰山學者等項目資助。
孔英珍課題組長期致力于植物細胞壁多糖合成與調控相關的研究，迄今為止，與其合作者已經系統(tǒng)鑒定了參與果膠質甲酯化合成的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）; 調控果膠質甲酯化修飾過程的轉錄因子BLH2/4（Xu et al., Plant Physiology 2020）和MYB52(Shi et al., Plant Physiology 2018)；調控纖維素合成的HDG2轉錄因子（Kong et al., Plant Physiology 2020, doi: 10.1093/plphys/kiaa007/5985557）。這些研究為終解析植物細胞壁多糖，尤其是初生細胞壁多糖的代謝調控網絡奠定了基礎。