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張勁松和陳受宜研究組發現組氨酸激酶MHZ1通過和乙烯受體互作調控水稻根部乙烯反應

  水稻是重要的農作物,長期生活在水生環境。乙烯在水稻適應這種半水生環境的過程中發揮重要作用。但相關信號調控機制多不清楚。在前期的研究中,已經鑒定了一系列mhz乙烯反應突變體並克隆了相應基因。揭示了水稻乙烯信號轉導途徑中與雙子葉模式植物擬南芥相比保守的基因和新基因,及與其它激素如ABAJA和生長素互作調控根生長的新機制。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所张劲松和陈受宜研究组通过分析水稻根乙烯反应突变体mhz1, 進一步鑒定得到一個正調控水稻根部乙烯反應的重要組分MHZ1MHZ1編碼水稻中的一個組氨酸激酶OsHK1,包含組氨酸激酶結構域和反應調節結構域。體外實驗表明MHZ1可進行自體磷酸化,並通過水稻中的磷酸傳遞蛋白OsAHP1OsAHP2將磷酸基團傳遞給下遊的響應因子OsRR21。該磷酸傳遞過程被證明是水稻根部響應乙烯所必需的。進一步研究發現乙烯受體可以通過和MHZ1互作抑制MHZ1的激酶活性,進而抑制MHZ1介導的磷酸傳遞系統,從而抑制根部的乙烯反應。遺傳分析表明,MHZ1途徑和傳統的OsEIN2途徑可能在受體下遊共同調控根生長。OsEIN2途徑也上調MHZ1基因轉錄。 

 

  該工作揭示了水稻根中一條新的乙烯信號傳遞途徑。在空氣中,乙烯受體通過抑制MHZ1介導的磷酸傳遞途徑進而抑制乙烯反應。在乙烯存在下,乙烯通過抑制受體功能從而解除了受體對MHZ1的抑制,激活MHZ1介導的磷酸傳遞和根乙烯反應。該研究表明水稻爲了適應複雜的水生環境可能産生了更爲精細的乙烯反應調控機制。該研究于2020124日在線發表于Nature Communications (DOI:10.1038/s41467-020-14313-0)。趙赫博士,段凱旋博士和工作人員馬彪是共同第一作者。馬彪(現北京科大教授)也是共同通訊作者。中國農科院路鐵剛教授團隊也參與了相關工作。該工作受國家自然基金項目和973項目等資助。 

MHZ1調控水稻根部乙烯反應模式圖 

  當空氣中沒有乙烯時,MHZ1的激酶活性被受體抑制。當乙烯存在時,受體解除了對MHZ1的抑制作用,使MHZ1介導的磷酸傳遞途徑被激活,進而激活下遊的乙烯響應。在水稻根部,MHZ1介導磷酸傳遞途徑和OsEIN2介導的途徑共同發揮作用將受體傳來的信號向下傳遞,進而調控根部的乙烯反應。