上海交通大学农业与生物学院尹若贺研究组发现番茄响应紫外光UV-B新机制

番茄是一种重要的园艺作物，也是研究光形态建成的一种模式植物。目前设施栽培是我国番茄栽培的主要形式。设施栽培中光照对壮苗和番茄品质等具有重要影响。紫外光UV-B（280~315nm）是太阳光中的一个有机组成部分。低剂量的UV-B作为一种环境信号被植物光受体UVR8蛋白感知，通过光信号转导，调控植物的生长发育、次生代谢和对环境逆境的适应性（YinandUlm,2017;Liangetal.,2019;Podolecetal.,2021）。而强UV-B能够破坏植物细胞内的蛋白质和DNA等生物大分子，引起逆境胁迫反应（ShiandLiu,2021）。光受体UVR8的突变体在模拟自然环境条件下的生长发育表现较野生型差，表明了UVR8介导的光信号通路对与植物适应环境具有重要的作用（Favoryetal.,2009）。研究发现光受体UVR8通过调控大量基因转录表达变化行使其生理学功能（Qianetal.,2020）。在UVR8信号通路上目前已经发现多个转录因子参与基因表达调控，其中转录因子HY5具有非常重要的作用（Brownetal.,2005）。然而紫外光如何激活HY5基因转录以及HY5转录动态变化的调控机理都不十分清楚。2022年2月21日，上海交通大学农业与生物学院尹若贺课题组在ThePlantCell杂志发表了题为ActivationandnegativefeedbackregulationofSlHY5transcriptionbytheSlBBX20/21SlHY5transcriptionfactormoduleinUV-Bsignaling的研究论文，揭示了在紫外光UV-B的处理下，番茄转录因子模块BBX20/21-HY5激活HY5基因转录，而过量积累的HY5蛋白抑制自身基因转录，形成自身负反馈环，维持体内HY5的水平，调节番茄的光形态建成（Yangetal.,2022）。前人研究发现HY5蛋白是光信号激活HY5基因表达所必不可少的一个元件（Binkertetal.,2014）。然而HY5蛋白缺少转录激活结构域，尚需要未知的辅助蛋白协同转录激活靶基因。在该研究中，研究人员发现在番茄bbx20bbx21双突变以及hy5单突变体内紫外光激活HY5基因表达的能力显著下降。通过遗传和生化实验证明转录因子BBX20/BBX21和HY5相互作用，以相互依赖的方式激活HY5基因转录。然而在过表达BBX20或BBX21的番茄材料中，紫外光激活HY5基因表达能力反而较野生型明显下降，暗示存在一个负反馈调控机制。通过一系列蛋白-DNA结合实验，发现转录因子BBX20/21和HY5都结合在HY5基因启动子的同一个顺式作用元件上。在体外，HY5比BBX20蛋白具有更强结合HY5基因启动子的能力，在番茄体内紫外光处理引起HY5在自身基因启动子上进一步富集，并抑制BBX20蛋白与HY5启动子的结合。最后，在野生型AC（AilsaCraig）番茄背景下过表达外源HY5能够显著抑制内源HY5的转录水平。通过这些主要实验证实了转录因子模块BBX20/21HY5转录激活HY5，而过量积累的HY5蛋白通过和其协同作用蛋白BBX20/21竞争结合自身基因启动子，抑制HY5基因转录，形成一个自身负反馈调控环，从而维持适当的HY5表达水平（图一）。对野生型番茄进行不同时间长度的紫外光处理，发现HY5的转录水平确实是被紫外光瞬时激活，然后快速降低，表明HY5的自身负反馈调控具有重要的生理学意义。实验室在前期研究中发现光受体UVR8能够在紫外光的处理下激活RUP基因（拟南芥RUP1/2的同源基因）的转录表达，而RUP通过调控光受体UVR8的二体/单体构象变化，抑制光受体的功能，形成另外一个负反馈调控环（Zhangetal.,2021）。在本研究中，利用番茄rup突变体，研究人员发现RUP负调控环只在早期抑制HY5的转录表达，而后期的负调控主要由HY5蛋白自身调节。因此，在光受体UVR8信号通路上存在至少两个不同的负反馈环，分别在光信号转导的早期和晚期发挥作用，平衡植物对紫外光UV-B的响应（图一）。图一、转录因子模块BBX20/21-HY5激活并反馈抑制HY5基因转录的模式图。综上，该研究以园艺作物番茄为材料系统深入地解析了紫外光瞬时诱导HY5转录的调控机制，进一步拓展了UV-B转录调控网络，为设施园艺植物响应光环境信号提供了新的理论支撑。上海交通大学博士后杨国骞为论文第一作者，尹若贺副教授为论文通讯作者。实验室助理研究员林丽博士、张春丽博士，博士后方芳，已毕业硕士研究生董华茜、刘小瑞等都做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学致远学者等项目资助。参考文献1.Binkert,M.,Kozma-Bognar,L.,Terecskei,K.,DeVeylder,L.,Nagy,F.,andUlm,R.（2014）。UV-B-responsiveassociationoftheArabidopsisbZIPtranscriptionfactorELonGATEDHYPOCOTYL5withtargetgenes,includingitsownpromoter.PlantCell26,4200-4213.2.Brown,B.A.,Cloix,C.,Jiang,G.H.,Kaiserli,E.,Herzyk,P.,Kliebenstein,D.J.,andJenkins,G.I.（2005）。AUV-B-specificsignalingcomponentorchestratesplantUVprotection.ProcNatlAcadSciUSA102,18225-18230.3.Favory,J.J.,Stec,A.,Gruber,H.,Rizzini,L.,Oravecz,A.,Funk,M.,Albert,A.,Cloix,C.,Jenkins,G.I.,Oakeley,E.J.,Seidlitz,H.K.,Nagy,F.,andUlm,R.（2009）。InteractionofCOP1andUVR8regulatesUV-B-inducedphotomorphogenesisandstressacclimationinArabidopsis.EMBOJ28,591-601.4.Liang,T.,Yang,Y.,andLiu,H.（2019）。SignaltransductionmediatedbytheplantUV-BphotoreceptorUVR8.NewPhytol221,1247-1252.5.Podolec,R.,Demarsy,E.,andUlm,R.（2021）。PerceptionandSignalingofUltraviolet-BRadiationinPlants.AnnuRevPlantBiol72,793-822.6.Qian,C.,Chen,Z.,Liu,Q.,Mao,W.,Chen,Y.,Tian,W.,Liu,Y.,Han,J.,Ouyang,X.,andHuang,X.（2020）。CoordinatedTranscriptionalRegulationbytheUV-BPhotoreceptorandMultipleTranscriptionFactorsforPlantUV-BResponses.MolPlant13,777-792.7.Shi,C.,andLiu,H.T.（2021）。Howplantsprotectthemselvesfromultraviolet-Bradiationstress.PlantPhysiol187,8.8.Yang,G.,Zhang,C.,Dong,H.,Liu,X.,Guo,H.,Tong,B.,Fang,F.,Zhao,Y.,Yu,Y.,Liu,Y.,Lin,L.,andYin,R.（2022）。ActivationandnegativefeedbackregulationofSlHY5transcriptionbytheSlBBX20/21SlHY5transcriptionfactormoduleinUV-Bsignaling.ThePlantCell10.1093/plcell/koac064.9.Yin,R.,andUlm,R.（2017）。HowplantscopewithUV-B:fromperceptiontoresponse.CurrOpinPlantBiol37,42-48.10.Zhang,C.L.,Zhang,Q.W.,Guo,H.Y.,Yu,X.H.,Liang,W.J.,Chen,Y.H.,Yin,R.H.,andLin,L.（2021）。TomatoSlRUPisanegativeregulatorofUV-Bphotomorphogenesis.MolecularHorticulture1.