浙江大学汪俏梅课题组揭示油菜素甾醇精细调控硫代谢促进植物生长的新机制

以下文章来源于JIPB ，作者JIPB

芥子油苷是一类重要的含硫植物次生代谢物质，广泛分布于十字花科植物中，包括模式植物拟南芥和芸薹属作物等。由于芥子油苷与芸薹属作物的健康功效、特殊风味和广谱抗性密切相关，引起了国际上不同领域学者的广泛关注和研究热情，成为植物次生代谢领域的研究热点之一。芥子油苷是十字花科植物先天免疫的重要组成部分，并参与植物对各种病原菌和昆虫的防卫反应。已有研究揭示了防卫激素如茉莉酸（Jasmonic acid, JA）和水杨酸（Salicylic acid, SA）等对芥子油苷生物合成的调控作用，但生长促进类激素如油菜素甾醇（brassinosteroid, BR）等对芥子油苷代谢途径和初生硫代谢途径的调控作用及其分子机制尚不清楚。

JIPB近日在线发表了浙江大学汪俏梅课题组题为“Brassinosteroids fine-tune secondary and primary sulfur metabolism through BZR1-mediated transcriptional regulation”（https://doi.org‍/10.11‍1‍1‍/j‍i‍pb.‍13442）的研究论文。该研究发现，油菜素甾醇通过其信号转导途径重要组分BZR1转录抑制芥子油苷生物合成调节基因MYB51和MYB29的表达，从而抑制芥子油苷的从头合成；另一方面BZR1直接转录激活编码初生硫代谢途径的限速酶——腺苷酰硫酸还原酶（Adenosine 5′-phosphosulfate reductase，APR）的基因APR1和APR2，促进初生硫代谢产物半胱氨酸（cysteine，Cys）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）的生物合成，从而促进植物的生长。

汪俏梅课题组研究发现，BR外源处理模式植物拟南芥的3个常见生态型Col-0、Cvi和Ler，均能引起吲哚族芥子油苷和脂肪族芥子油苷含量的显著下降，结合BR生物合成缺失突变体实验，明确了BR抑制芥子油苷生物合成的效应；同时还发现BR促进初生硫代谢中的硫同化途径，从而促进了半胱氨酸和谷胱甘肽等初生硫代谢产物的积累。进一步研究发现BR信号通路中重要组分BZR1介导了BR对芥子油苷生物合成的抑制和初生硫代谢途径的促进。随后的生化分析和分子实验表明，BZR1通过转录因子MYB51和MYB29差异性调控吲哚族芥子油苷和脂肪族芥子油苷的生物合成，BZR1直接靶向MYB51的 BRRE box转录抑制吲哚族芥子油苷的生物合成，以及靶向MYB29的E-box转录抑制脂肪族芥子油苷的生物合成，遗传学研究表明BZR1对吲哚族芥子油苷的抑制作用更强，且这种调控作用完全依赖于MYB51，但对脂肪族芥子油苷的抑制作用则只部分依赖于MYB29，暗示着很可能存在其他的因子参与BZR1对脂肪族芥子油苷的调控。BZR1差异性调控吲哚族和脂肪族芥子油苷的机制也从某种程度上反映了芥子油苷代谢调控网络的复杂性。与直接靶向芥子油苷的调节基因不同，BZR1能够直接转录激活初生硫代谢限速酶基因APR1和APR2，从而正向调控初生硫代谢途径。另外，该研究还发现BR抑制次生硫代谢和促进初生硫代谢的效应在芸薹属作物（青花菜、芥蓝和白菜）中同样存在，并且不同作物中MYB51同源基因的启动子上也存在BZR1靶向识别的BRRE-box位点，并参与BZR1介导的BR对吲哚族芥子油苷的抑制作用，这也彰显了不同物种间BR对硫代谢的调控作用具有保守性。作为植物细胞中了解的最为透彻的信号转导途径之一，BR通过信号转导关键组分BZR1调控下游基因的表达，促进细胞膨大或者细胞分裂进而调控植物生长的机制已经被阐明。该研究从新的视角，即优化硫的利用效率，平衡次生和初生硫代谢的角度揭示了BR促进植物生长的新机制，拓展了对生长促进类激素油菜素甾醇调控植物生长机理的理解，同时也深化了对芥子油苷代谢调控网络的认识，可以为芸薹属作物可持续生产中资源的合理优化和养分的充分利用提供理论基础和技术支撑。

BR精细调控芥子油苷和初生硫代谢途径促进生长的机制

浙江大学汪俏梅教授课题组一直致力于芥子油苷等次生代谢物质的代谢调控网络解析与生物学功能研究，并将其运用于蔬菜作物改良（Tao et al., JIPB, 2022；Miao et al., aBIOTECH, 2021; Zhao et al., Plant J, 2015）。该论文揭示了生长促进型植物激素油菜素甾醇通过其信号转导组分BZR1精细调控初生硫代谢和次生硫代谢的分子机理，不仅丰富了芥子油苷生物合成的代谢调控网络，而且在芸薹属作物可持续生产中有潜在应用价值。浙江大学汪俏梅课题组博士后王梦雨为论文第一作者，汪俏梅教授为通讯作者，扬州大学蔡丛希博士、浙江大学苗慧莹副教授和四川农业大学孙勃教授也参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和浙江省万人计划的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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