目前,我国对大豆的需求量急速攀升,供需矛盾日益突出,提高大豆产量成为保障国家粮食安全的迫切需求。密植可提高大豆单产和有效利用种植面积,因此耐密植品种培育至关重要。株高是影响产量的关键农艺性状,半矮秆品种可提高种植密度和抗倒伏能力以增加大豆产量。株高受植物激素赤霉素(GA)和紫外线b(UV-B)辐射的双重调控。UV-B是降低作物株高和产量的胁迫因子之一。目前,UV-B如何介导GA代谢相关基因翻译后修饰来调节植物高度尚不清楚。
泛素-蛋白酶体系统是真核生物中蛋白质选择性降解的主要途径,在植物生长发育过程中发挥着关键作用。已知E3泛素连接酶COP1介导UV-B信号传导调控植物生长。然而,有关E3泛素连接酶后期促进复合体/环体(APC/C)如何响应外界环境信号(如UV-B辐射)调控植物生长的研究尚未见报道。
该研究筛选了一个UV-B依赖型大豆矮化突变体Gmilpa1,其在温室或白光下生长株高与野生型相近,在田间及白光附加UV-B照射下生长株高较野生型低。利用图位克隆与BSA-seq结合的方法分离了调控株高的目标基因—APC/C E3泛素连接酶复合体亚基APC8蛋白基因GmILPA1。发现该蛋白受UV-B诱导积累,分别与GmGA2ox-like(赤霉素2-氧化酶)和GmUBL1(RING/U-box类E3泛素连接酶)互作,且GmGA2ox-like和GmUBL1亦存在相互作用关系。泛素化降解实验证明,GmGA2ox-like作为GmILPA1和GmUBL1的底物在第394位赖氨酸上被泛素化修饰,并在UV-B照射下被GmILPA1介导的26S蛋白酶体降解,而GmUBL1可增强UV-B依赖的GmILPA1对GmGA2ox-like的靶向降解,使其对活性赤霉素GAs(如GA1和GA4)的氧化能力降低,从而降低了非活性赤霉素(GA8和GA34)含量,暗示GmILPA1-GmGA2ox-like互作抵消了UV-B介导的活性GAs的减少,减轻了UV-B诱导的生长抑制,来维持植物正常生长。外施GA可恢复Gmilpa1在UV-B照射下的矮化表型,证明了Gmilpa1在UV-B照射下的矮化是由于GA含量降低引起的。进一步遗传分析发现,在Gmilpa1背景下降低GmGA2ox-like表达亦可恢复UV-B照射下Gmilpa1的矮化表型,证明了二者的遗传学关系。综上,GmILPA1在UV-B照射下通过提高活性GA含量来维持大豆植株正常生长。
综上,该研究发掘了一个UV-B调控大豆株高的关键模块GmILPA1- GmUBL1-GmGA2ox-like,该模块通过对UV-B依赖的GmGA2ox-like的泛素化降解,来抑制活性GA含量的降低,从而提高了大豆对UV-B的耐受性,维持了大豆正常生长。该发现为深入了解植物适应UV-B胁迫的分子机制提供了理论参考,为进一步解析调控大豆株高的分子机制提供了借鉴,为选育适应强紫外线辐射的农作物新品种提供了理论基础。