朱玉贤院士团队发现棉纤维细胞发育调控新机制

iPlants · 公众号 · · 2024-06-26 22:34

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来源：MP植物科学

2024年6月13日， Plant Communications 在线发表了武汉大学 朱玉贤 院士团队题为“ GhATL68b Regulates Cotton Fiber Cell Development by Ubiquitinating the Enzyme Required for β-oxidation of Polyunsaturated Fatty Acids ”的研究论文，发现纤维特异E3泛素连接酶GhATL68b通过调节多不饱和脂肪酸（PUFAs）代谢中限速酶的稳态影响棉纤维细胞发育。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101003

天然棉纤维具有重要经济价值，是纺织业的基础。陆地棉作为主要的棉花栽培种，产棉量占总纤维产量的95%，因此研究陆地棉纤维发育基因的生物学功能对充分认识纤维发育机理，提高棉纤维产量和质量具有重要的理论和实践意义。虽然一些陆地棉纤维调控基因得到功能验证，但泛素相关的基因鲜少研究，泛素化蛋白与棉纤维发育的关系仅有零星报道。本研究发现了一个E3泛素连接酶基因 GhATL68b ，在四倍体陆地棉（ G. hirsutum ）和二倍体草棉（ G. herbaceum ）、亚洲棉（ G. arboreum ）、雷蒙德氏棉（ G. raimondii ）启动子区有明显的结构变异（SVs）和甲基化修饰差异，并且该基因在棉纤维中特异性表达，推测GhATL68b在棉纤维发育过程中可能发挥作用（图1）。

图1 GhATL68b 启动子区结构变异（SVs）、甲基化缺失及纤维组织特异性表达分析

作者进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了 GhATL68b 功能缺失突变体株系，突变体株系在营养生长阶段均表现正常，但纤维平均长度从29 mm降低至24 mm，纤维断裂伸长率、纤维均匀性和100粒种子的总纤维重量在突变体株系中都显著降低（图2）。

图2 GhATL68b影响棉纤维发育

与野生型相比，突变体中GhATL68b相互作用蛋白GhDECR发生积累，酶活增强，辅酶反应速率提高，加速了PUFAs的氧化代谢过程。突变体纤维细胞PUFAs含量降低，导致细胞膜流动性下降，从而影响纤维细胞发育（图3）。

图3 GhDECR积累降低了纤维细胞PUFAs含量及细胞膜流动性

胚珠培养基中添加PUFAs可以弥补突变体纤维缺陷生长表型。分析发现C18:0等饱和脂肪酸主要参与磷脂R1链的形成，C18:1、C18:2和C18:3等不饱和脂肪酸则主要参与R2链的形成。R2链中的不饱和键保证了细胞膜流动性，不饱和键越多形成的 R2链可能越柔软。因此，我们的实验为PUFAs影响膜流动性而提高纤维生长速率提供了一个可能的理论模型（图4）。

图4 外源施加PUFAs可以恢复突变体纤维生长缺陷表型

这一发现揭示了GhATL68b介导的蛋白质降解系统通过调节PUFAs稳态在调控纤维细胞发育中发挥重要作用。这是棉花研究中首次深入解析的C3H2C3型E3泛素连接酶，为提高棉纤维长度和产量提供了一个新的候选遗传改良靶标。

武汉大学博士研究生李鑫为论文第一作者， 朱玉贤 教授为论文通讯作者，王坤教授、 周一凡 博士参与了本项目的研究，中国科学院遗传发育与生物学研究所黄盖副研究员也部分参与本项目。该研究得到了国家自然科学基金（31830057）、国家重点研发计划（2022YFF1001400）和湖北洪山实验室基金（2021hszd014）等经费的支持。

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