中國科學(xué)院分子植物卓越中心等揭示豆科植物共生互作中核內(nèi)鈣信號的編碼機制

   2022-08-22 中國科學(xué)院581
核心提示:8月16日,《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所/中科院植物分子遺傳國家重點實驗室謝芳研究組撰寫的題為Constitutive activation of a nuclear-localized calcium channel complex in Medicago truncatula的研究論文?!ㄊ澜缡称肪W(wǎng)-www.cctv1204.com)
8月16日,《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所/中科院植物分子遺傳國家重點實驗室謝芳研究組撰寫的題為Constitutive activation of a nuclear-localized calcium channel complex in Medicago truncatula的研究論文。該研究揭示了在植物-微生物共生互作的共生信號途徑中核膜定位的鈣離子通道蛋白DMI1和CNGC15協(xié)同編碼核鈣信號的分子機制,為剖析共生過程鈣信號的形成提供了新見解。
 
  鈣離子作為重要的第二信使,在真核生物多個信號通路中均發(fā)揮重要作用。在豆科植物與根瘤菌或菌根真菌的共生互作過程里,結(jié)瘤因子(Nod Factor,NF)或菌根因子(Myc factor,MF)激活的核及核周鈣振蕩是傳遞共生信號的核心事件。有效解析共生過程中鈣信號的編碼機制,相當(dāng)于解讀鈣指紋的密碼,可協(xié)助指導(dǎo)植物作出共生響應(yīng),對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。
 
  在豆科植物與根瘤菌共生固氮體系中,根瘤作為豆科植物特化的、重要的共生固氮器官,受NF信號途徑激活而形成;而細(xì)胞核鈣振蕩作為NF信號的早期響應(yīng)調(diào)控著下游共生基因的表達(Ehrhard et al., 1996)。在蒺藜苜蓿(M. truncatula)中,DMI1與CNGC15是兩個定位于核膜的鈣離子通道蛋白,參與核及核周鈣振蕩的形成,且DMI1還可以與CNGC15相互作用(Charpentier et al., 2016)。然而,共生過程中核鈣信號的編碼以及DMI1與CNGC15如何調(diào)控核鈣信號形成的機制尚不清楚。
 
  謝芳研究組在蒺藜苜蓿中篩選到一個自發(fā)結(jié)瘤突變體spd1(spontaneous nodule development 1),即在不接種根瘤菌或NF的情況下植物根部能形成根瘤器官。研究結(jié)合遺傳分析和基因定位,發(fā)現(xiàn)spd1是一個單基因控制的功能獲得性突變體,在離子通道蛋白DMI1的羧基端RCK2結(jié)構(gòu)域第760位絲氨酸發(fā)生了錯義突變,即DMI1S760N。遺傳實驗證明,表達DMI1S760N在野生型植物中,可以在不接種根瘤菌時形成根瘤器官,驗證了spd1的自發(fā)結(jié)瘤表型確是DMI1S760N的突變導(dǎo)致。植物體內(nèi)細(xì)胞鈣成像技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn),細(xì)胞核鈣振蕩信號特異的在spd1根部將要形成根瘤的部位被自發(fā)激活。RNA-Seq和qRT-PCR結(jié)果進一步表明,由NF及MF信號激活的共生基因在spd1中組成性表達,表明DMI1S760N作為DMI的功能獲得性形式自發(fā)激活了共生信號途徑。
 
  該研究進一步運用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和遺傳學(xué)手段闡明DMI1S760N的功能機制,發(fā)現(xiàn)DMI1S760N沒有改變DMI1的核膜定位以及與CNGC15相互作用的能力,但該突變或破壞了DMI1 RCK結(jié)構(gòu)域界面的分子間作用力,導(dǎo)致DMI1通道蛋白呈現(xiàn)為組成性激活形式。研究表明,DMI1S760N激活自發(fā)結(jié)瘤和共生基因表達依賴CNGC15的存在,且DMI1的鈣離子結(jié)合及選擇性活性是DMI1S760N激活自發(fā)結(jié)瘤所必需的。研究利用HEK 293T細(xì)胞的重組表達系統(tǒng)檢測了通道蛋白活性,發(fā)現(xiàn)只有共表達DMI1S760N和CNGC15才能促進胞內(nèi)鈣離子的內(nèi)流,并一定程度地介導(dǎo)有規(guī)律的鈣離子濃度變化。這種效應(yīng)依賴DMI1門環(huán)結(jié)構(gòu)上鈣離子的結(jié)合和選擇性位點以及DMI1和CNGC15的離子通道活性。
 
  該工作通過對自發(fā)結(jié)瘤突變體spd1的研究,揭示了植物-微生物共生互作中鈣通道蛋白DMI1激活CNGC15的通道活性進而促進共生核鈣振蕩形成的分子機制。研究工作得到中科院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先到科技專項、比爾及梅琳達·蓋茨基金會的支持。英國劍橋大學(xué)的科研人員參與研究。



日期:2022-08-22
 
地區(qū): 北美洲 美國
標(biāo)簽: 實驗 美國
行業(yè): 食品檢測
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