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撰文 | 兔妞（RES）
2021年7月10日，华中师范大学生命科学学院许文亮教授课题组在著名学术期刊New Phytologist发表题为“GhMYB7 promotes secondary wall cellulose deposition in cotton fibers by regulating GhCesA gene expression through three distinct cis-elements”的研究论文。本研究证明了GhMYB7通过直接与GhCesA4、GhCesA7和GhCesA8启动子中的三种不同的顺状元件结合来驱动次生细胞壁纤维素的合成。
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棉纤维是天然纺织品最重要的来源。成熟棉纤维的次生细胞壁 (SCW) 比其他任何植物都含有更高比例的纤维素含量 (> 90%)。SCW纤维素合成的开始和进展需要严格控制以平衡纤维伸长和细胞壁沉积。然而，在棉花纤维生长过程中控制纤维素合成的调节机制仍然难以捉摸。1. 棉花中GhMYB7的过表达导致纤维短而厚，而GhMYB7的RNA干扰导致纤维长而细为了研究GhMYB7在棉纤维发育过程中的作用，研究者构建了过表达(OE)和RNA干扰(RNAi)载体，并将其转化进棉花植株。表型分析显示OE植物的成熟纤维明显短于野生型，而RNAi植株的纤维稍长一些。使用透射电子显微镜对成熟纤维横截面进行观察表明，与野生纤维相比，GhMYB7的过表达增加了棉纤维细胞壁的厚度，而RNA干扰降低了壁厚度。OE纤维的表面更光滑，而野生型纤维细胞的表面可以清楚看到沟槽。研究者进一步分析了纤维素的沉积情况，GhMYB7过表达导致纤维SCW纤维素的过早沉积。![]()
图1 GhMYB7过表达和RNA干扰(RNAi)的转基因棉花植物纤维的表型分析 2. GhMYB7的过表达促进了纤维发育过程中GhCesAs的表达由于GhMYB7的过表达导致了SCW纤维素的过早沉积，研究者接下来探究这是否是由于GhCesA表达水平发生变化引起的。结合qRT-PCR以及之前的文章报道，研究者将目标定位于GhCesA4-2, GhCesA7-3和GhCesA8-2。通过分析不同时期RNAi植株和过表达植株中三个基因的表达情况，以及不同时期纤维素的长度，研究者发现GhMYB7过表达促进了SCWGhCesA基因的过早表达，导致早期纤维中SCW纤维素沉积，从而抑制纤维延长。相反，GhMYB7RNAi导致GhCesA基因表达延迟，导致SCW纤维素沉积延迟，使纤维得以延长。![]()
图2 GhMYB7表达的改变影响了GhCesAs的表达和纤维伸长率 3. GhMYB7通过直接与GhCesAs的启动子结合来激活其表达为了了解GhMYB7表达的改变使哪些基因受到影响，研究者收集了15DPA的纤维进行RNA测序。转录组数据分析显示，在表达量发生明显变化的细胞壁相关基因中，CesA基因最为丰富，这暗示GhCesAs可能是GhMYB7的靶点。研究者使用烟草瞬时转化实验及ChIP-Seq，证实GhMYB7可以结合并激活多个SCWGhCesA启动子区域。在SCWGhCesA启动子区域，研究者关注到顺式作用原件SMREs。研究者通过突变GhCesA4-2的SMRE位点以产生终止子TAA,发现激活显著减少，证实SMRE序列是GhMYB7结合所必须的。通过使用探针，检测迁移率的变化，证实GhMYB7与SMRE位点的结合是序列特异性的。使用类似途径，研究者证实GhMYB7直接结合GhCesA7-3启动子ATCAAA序列，进一步的EMSA实验显示，6bp的 [A(T/G)CN(A/G)(A/T/G)]序列为GhMYB7的作用位点，将此位点又称为FSMBE2。同样，GhMYB7直接结合GhCesA8-2启动子的CAACCG序列发挥作用，6bp的[(C/T/A)AAC(A/T/C/G)G]为GhMYB7的作用位点，将此位点又称为FSMBE3。 4. GhMYBs通过三个不同的顺式元件调节GhCesA基因的表达研究者从GhCesA4-2、GhCesA7-3和GhCesA8-2的不同位点选择了7个目标片段用于ChIP-PCR分析，进一步确定了GhMYB7与三种不同的顺位元件的结合。为了进一步研究其他GhMYBs是否能识别这三种不同的FSMBE，研究者选择了六个促进GhCesA表达的代表性GhMYBs进行检测。结合TAA终止实验、CHIP-PCR等，研究者证实GhMYB46_D13也可以直接结合三者的启动子区域。5. 一个由GhTCP4、GhMYB7、GhFSN1和GhMYB46_D13组成的四层转录调控网络调节纤维SCWGhCesA基因考虑到GhFSN1、GhMYB7和GhMYB46_D13在纤维次生细胞壁增厚阶段共表达，研究者分析GhFSN1是否能转录激活GhMYB7和GhMYB46_D13，类似于拟南芥的NAC-MYB调控网络。双荧光素酶测定结果表明，GhMYB7激活了GhFSN1的启动子。最近的一份报告显示，GhTCP4A也激活了GhFSN1启动子。进一步的测定结果表明，GhTCP4激活了GhMYB7启动子。除此之外，GhMYB7参与并激活了GhMYB46_D13启动子。并且GhMYB46_D13也被GhFSN1激活。
在这个调控网络中，GhTCP4构成第一层，而GhMYB7位于第二层。除了分别通过FSMBE1、FSMBE2和FSMBE3直接结合，激活 GhCesA4-2,GhCeSA7-3和GhCeSA8-2外，GhMYB7还调节GhFSN1及其下游TF(GhMYB46_D13)。GhTCP4、GhMYB7、GhFSN1和GhMYB46_D13起到协同作用，促进棉纤维中的纤维素生物合成，最终影响棉纤维的SCW厚度和纤维长度。![]()
图3 四层转录调控网络调节纤维SCWGhCesA基因表达模式图
原文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.17612
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