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水稻团队和蛋白质科学研究团队合作揭示调控水稻光周期开花复合物CCT/NF-YB/YC的转录调控机制
发布时间:2020-08-28

8月25日,The Plant Cell杂志在线发表了我校作物遗传改良国家重点实验室水稻团队和蛋白质科学研究团队的最新合作研究成果,两个团队利用遗传学、细胞生物学和结构生物学技术阐明了CCT 家族蛋白与NF-YB、NF-YC形成三元复合物是一种普遍存在的现象,并且揭示了形成的CCT/NF-YB/YC三元复合物识别DNA的分子机制,研究成果以“Structural Insight into DNA Recognition by CCT/NF-YB/YC Complexes in Plant Photoperiodic Flowering”为题发表。

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开花是被子植物由营养生长向生殖生长转换的中间过程,是植物一生中最重要的过程之一,在植物的发育过程中受到严格的调控,植物的开花时间也受到了光照、温度、逆境胁迫等多种环境因素的影响,合适的开花时间能够让植物繁衍得以生存,而通过对作物如水稻、玉米、小麦等开花时间的精细控制可以得到更高的产量,达到高产稳产的目的。因此,研究植物开花是一个生物学基础问题,对于认识植物如何响应环境来精密调控生殖转换和生物适应性都有重要意义,同时也在农业生产中具有应用价值。

水稻的光周期响应决定了水稻的抽穗期和地域适应性,与水稻的最终产量密切相关。邢永忠教授课题组长期致力于水稻产量形成机制的研究,在前期的研究中先后克隆了一系列调控水稻产量、株高和抽穗期的多效性基因Ghd7、Ghd8、Ghd7.1、Hd1/Ghd6等,它们都是水稻光周期响应的主效基因,可以在延迟抽穗期的同时增加产量。其中Ghd7、Ghd7.1和Hd1分别属于CCT家族的CMF、PRR、COL三个不同亚家族,Ghd8属于NF-Y家族的YB亚家族,这些基因之间具有复杂的遗传调控关系,并共同决定了水稻抽穗期的光周期响应机制。殷平教授课题组则长期致力于光信号调控复合物和核酸结合蛋白的结构生物学研究,在植物蓝光受体的作用机制和植物PPR家族蛋白的RNA识别机制方面取得了系统性研究成果。

在该研究中,作者首先筛选了GHD8的互作蛋白,发现其可以与OsNF-YC2形成异源二聚体,接着通过荧光素酶互补技术、pull down技术以及凝胶阻滞技术确定了分别来自三个CCT亚家族的GHD7、GHD7.1、HD1均可以与GHD8/OsNF-YC2形成三元复合物,并且这种互作主要是通过CCT结构域来完成的,通过EMSA和ITC分析证实了GHD7、GHD7.1、HD1与NF-YB/YC形成三元复合物后对DNA的结合能力显著增强。进一步作者解析了包裹DNA的HD1CCT/GHD8/OsNF-YC2复合物的晶体结构,结构显示CCT结构域包含a-螺旋1、loop 1、a-螺旋2、loop 2四个二级结构元件,前两个元件负责与NF-YB和NF-YC互作,后两个元件负责对DNA特异识别,NF-YB和NF-YC则通过与DNA磷酸骨架的互作来增强复合物对DNA的结合能力,促进CCT蛋白对DNA的识别。作者还通过EMSA和ITC分析等生化实验鉴定出了CCT结构域上多个关键氨基酸功能位点,解释了不同物种中CCT基因突变体的功能失活机制,也为利用分子育种手段改良CCT基因来培育高产和广泛地域适应性的作物品种提供了重要参考意义。

博士后申翠翠和刘海洋为本论文的共同第一作者,邢永忠教授和殷平教授为论文共同通讯作者。澳门新葡萄京997755校级蛋白质平台为该研究的开展提供了支持,上海同步辐射光源(SSRF)为数据收集提供了帮助。该研究受到了科技部基金、国家自然科学基金、校自主创新基金和博士后基金的资助。

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