Plant Com | 中科院李来庚团队揭示光敏色素B-PIF4-MYC2/MYC4模块抑制次生细胞壁增厚响应庇荫反应

2022年8月4日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物生理生态研究所李来庚课题组在国际著名期刊Plant Communications发表了题为“A Phytochrome B-PIF4-MYC2/MYC4 Module Inhibits Secondary Cell Wall Thickening in Response to Shaded Light”的研究论文。光在调节植物细胞壁的形成过程中发挥着关键作用。本研究揭示了一个PHYB-PIF4-MYC2/MYC4模块，该模块通过NST1转录调控网络抑制纤维细胞中的次生细胞壁增厚，为植物在庇荫条件下的细胞壁形成机制提供了新的见解。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100416

在高等植物中，所有细胞都被初生细胞壁所包裹。初生细胞壁决定细胞的形状，能够为植物和环境相互传递信号。一些特殊类型的细胞，如茎木质部的纤维细胞和导管细胞，在细胞伸长停止后，会在初生细胞壁内沉积一层坚硬的次生细胞壁(SCW)，这为植物生长提供机械强度和结构支持。SCW增厚在不同的光照条件下有所不同。例如，植物在蓝光下生长时，纤维细胞SCW会增厚；在红光与远红光(R：FR)比值较低的庇荫条件下，植物的细胞伸长增加，随后SCW增厚减少。然而，庇荫导致的SCW增厚减少的分子机制尚不明确。

研究者首先使用低比值的R：FR模拟庇荫条件。当在白光条件下增加远红光之后，植株花序茎的增长加快，茎强度减弱（图1）。表明低比值的R：FR条件影响了花序茎的生长和机械强度。对茎结构的解剖分析显示，纤维细胞中SCW厚度显著降低，但导管细胞SCW厚度差异不大(图1D和1E)。在低比值的R:FR条件下，木质素和结晶纤维素含量显著降低(图1F和1G)。这些数据表明，远红光促进干细胞的伸长，抑制纤维细胞的SCW增厚。

R/FR光被光感受器PHYB感知。为了分析R：FR比值对SCW增厚影响的遗传因素，研究者分析了phyB和pif1pif3pif4pif5pif(pifq)四重突变体的花序茎的生长情况。与WT相比，phyB突变体表现出倒伏表型，花序茎伸长，茎的拉伸强度降低；而pifq突变体表现出直立生长，花序茎缩短，茎的拉伸强度增加。与WT相比，phyB植株纤维细胞壁的厚度减少，而pifq植株的纤维细胞壁厚度增加，但两者导管细胞的厚度没有改变。此外，phyB中木质素和结晶纤维素含量均降低，而pifq中两者含量均增加(图2)。研究者也获得了PHYB-OE和PIF4-OE的拟南芥过表达植株，过表达植株表现出与突变体相反的表型。以上结果说明，在花序茎纤维细胞中，SCW增厚受PHYB的正调控，受PIFs的负调控。

接下来，研究者分析了红光(高比值的R：FR)对SCW增厚的影响。在红光条件下，phyB突变体的花序茎的拉伸强度显著降低，纤维细胞中SCW的增厚明显减少（图3）。pifq突变体茎表现出更高的拉伸强度，纤维细胞中SCW的增厚也有所增多。与此相一致，SCW增厚相关基因(NST1、SND1、4CL1和IRX8)在phyB突变体中的表达水平下调，在pifq突变体中表达水平上调(图3E)。这些数据表明，高比值的R：FR通过PHYB增强SCW基因表达，促进SCW增厚，而PIFs抑制这一过程。通过RNAseq分析，发现SCW增厚相关基因NST1和MYC2响应红光。在远红光条件下，MYC2和NST1 的表达受到抑制，而在phyB 和pifq突变体中，抑制作用会降低。这些结果表明，MYC2的表达被红光诱导，被远红光抑制，并通过PHYB和PIFs调控。

前人研究显示MYC2、MYC4通过在NST1启动子上结合调节SCW增厚。那么PIFs如何影响NST1启动子上的MYC2/4的转录活性？荧光素酶实验显示，MYC2/4与PIF4或PIF5可以共表达，且MYC2/4的转录活性受到PIF4或PIF5的抑制。通过在烟草叶片中检测蛋白的定位，显示PIF4与MYC2/4共定位时，MYC2/4的核定位发生了扩散，说明PIF4影响MYC2/4的核定位或稳定性。免疫印迹分析显示，在暗光和远红光条件下，MYC2的丰度明显减少；在pifq突变体中，MYC2的稳定性明显增强。以上结果说明PIF4影响MYC2的稳定性。

接下来，研究者将myc2myc4双突变体与pifq和phyB突变体杂交，检测在SCW增厚调控中,MYC2/MYC4是否与PHYB和PIFs位于相同的遗传途径中。表型分析显示，MYC2/4的缺失使得pifq花序茎较短的表型得到恢复。除此之外，pifqmyc2myc4植株中纤维细胞SCW厚度(图4C和4D)和SCW增厚相关基因的表达均降低(图4E和4F)。说明MYC2/MYC4位于PHYB-PIFs信号模块的下游。phyBmyc2myc4三重突变体增强了phyB突变体花序茎伸长和SCW变薄的表型(图4A-4D)，且SCW调控和合成相关基因的表达略有下调(图4E)。以上数据表明MYC2/MYC4作用于PIFs下游，修饰转录网络，调控SCW增厚。

结合以上实验结果，在日光下（高比值R:FR条件下），PHYB被激活，进入细胞核抑制PIF活性，MYC2与NST1启动子结合，激活NST1，导致SCW增厚过程 （图5）。在庇荫时（低比值R:FR条件下），PHYB活性被抑制。PHYB不能进入细胞核，PIF蛋白与MYC2相互作用，取代其与NST1启动子的结合。NST1引起SCW增厚的过程得到抑制。

综上所述，本研究发现拟南芥phyB在茎纤维细胞中表现出较薄的SCW，pifq在茎纤维细胞中表现出较厚的SCW。具有低红光比的庇荫的光照条件抑制茎SCW增厚。除此之外，PIF4与MYC2/MYC4相互作用以影响它们在细胞核中的定位。遗传证据表明，PIF对SCW增厚的调节取决于MYC2/MYC4功能。总之，这项研究揭示了一种PHYB-PIF4-MYC2/MYC4 模块，可抑制拟南芥茎纤维细胞中SCW增厚。

转自：植物科学SCI

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