磷是植物生长发育必需的大量营养元素，有效磷缺乏是制约作物生长及产量的关键因素之一。植物在长期演化过程中形成了复杂的生理和形态适应调控机制，以使植物维持体内磷动态平衡，称为低磷胁迫响应（phosphate starvation response, PSR）。转录调控在植物逆境响应中扮演重要角色，MADS-box转录因子家族参与多种非生物逆境调控，但其在低磷胁迫响应调控中的作用及机制仍不清楚。

    近日，上海交通大学薛红卫课题组与河南农业大学细胞生物学团队在The Crop Journal在线发表了题为“TaMADS2-3D, a MADS transcription factor gene, regulates phosphate starvation responses in plants”的研究论文，揭示了小麦转录因子TaMADS2-3D基因参与低磷胁迫响应调控。

    研究鉴定了一个小麦I型MADS-box转录因子基因TaMADS2-3D，其表达受低磷胁迫的动态调节。亚细胞定位实验证明TaMADS2-3D蛋白定位于细胞核内。通过表型和分子遗传学实验发现，TaMADS2的过量表达导致拟南芥和小麦中PSR的组成性激活。过量表达TaMADS2-3D的拟南芥植株（TaMADS2-3DOE）在正常磷条件下表现主根长度缩短、生物量降低、侧根密度增加、地上部和根部磷含量增加，类似于野生型拟南芥在低磷条件下的PSR表型（图1）。在小麦中过量表达TaMADS2-3D也出现PSR表型（图2）。在正常磷条件下，拟南芥TAMADS2-3DOE植株根尖活性氧（H2O2和O2⁻）水平升高；拟南芥TaMADS2-3DOE的转录组分析表明，过量表达TaMADS2-3D能调控包括PSR在内的一系列基因表达。

                                                           图1 拟南芥中过量表达TaMADS2-3D部分激活低磷胁迫响应

图2 过表达TaMADS2-3D的小麦植株表现地上部和根系生长受抑制

        WT为野生型; CM5、CM29和CM15为3个转基因株系。 

     该研究揭示了TaMADS2-3D可能在磷信号通路的早期节点调控植物PSR，并通过调节活性氧动态平衡、根形态发育和磷吸收等途径使植物适应低磷环境。研究结果初步解析了植物MADS-box转录因子对低磷胁迫响应的调控机制，鉴定的TaMADS2-3D基因可作为植物磷高效率遗传研究的基因资源。

     河南农业大学博士生韩迎春与刘娜副教授为共同第一作者，河南农业大学郑文明教授、谭金芳教授和上海交通大学薛红卫教授为共同通信作者。该研究得到国家重点研发计划（2018YFD0200600）、河南省自然科学基金（182300410023）、省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室基金以及河南粮食作物协同创新中心基金等项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221451412100088X

     细胞是动植物结构和功能的基本单位，细胞分裂是真核生物中保守而重要的生物学过程。细胞分裂异常不但会导致器官发育异常，失控的细胞周期在动物中会导致肿瘤等疾病的发生。细胞分裂受多个因子/复合体的精确调控，其中细胞周期蛋白依赖激酶(Cyclin-Dependent Kinase)及其抑制蛋白在细胞增殖过程中发挥重要作用，对细胞分裂及细胞周期调控机制的研究和阐明具有重要的科学意义。
     蛋白磷酸化是一类重要的蛋白翻译后修饰，在众多信号转导途径和生理过程中发挥重要作用。蛋白磷酸化由蛋白激酶完成，其中酪蛋白激酶Casein kinase1s (CK1s) 是最早发现的蛋白激酶，在真核生物中高度保守并在节律、环境响应、表观遗传调控等生物学过程中发挥重要调控作用。目前已发现部分CK1s成员参与了动物细胞增殖的调控，但其是否调控植物细胞分裂，以及相关的作用机制，目前仍不清楚。

     近日，上海交通大学薛红卫课题组在Plant Physiology上发表了题为“Plant casein kinases phosphorylate and destabilize a cyclin-dependent kinase inhibitor to promote cell division”的研究论文，揭示植物特异的CK1，AELs (Arabidopsis EL1-like)，通过磷酸化细胞周期的关键负调控因子Kip-Related Protein 6 (KRP6)并调控其稳定性，进而调控细胞分裂，为植物细胞周期的调控研究提供了新思路。

    AELs是植物特有的一类CK1，共有4个成员。该课题组前期研究已证明其参与乙烯合成(Tan et al., 2014)，水稻开花时间和赤霉素信号(Dai et al., 2010)，ABA信号响应(Chen et al., 2018)等。该研究发现，AELs三突变体ael123、ael124 的叶面积较野生型显著减小，细胞学及流式细胞术等分析表明三突变体的细胞分裂受到抑制导致细胞数目变少，表明AELs参与细胞分裂的调控。进一步对细胞分裂相关的蛋白进行筛选并通过Y2H实验、BiFC、蛋白磷酸化、质谱分析、蛋白稳定性等实验证明AEL1磷酸化KRP6的第75位和109位的丝氨酸并促进其与E3泛素连接酶(FBL17和RHF1a)的互作进而加速蛋白降解，从而解除KRP6对细胞分裂的抑制作用，对两个磷酸化位点的突变研究也从生化和遗传上证明了位点的准确性和重要性。
      该研究结果揭示了AELs介导的磷酸化调控植物细胞分裂的新机制，为植物细胞分裂的复杂调控网络研究提供了重要线索。鉴于细胞分裂调控机制和CK1s蛋白的保守性，相关研究结果也可能为动物细胞分裂的调控机制研究提供参考，KRP6保守的磷酸化位点有望为相关精准医疗研究提供线索。

     上海交通大学博士后渠莉为论文第一作者，薛红卫教授为通讯作者。南京农业大学陈虎辉副教授，中科院分子细胞科学卓越创新中心魏庄博士，刘涛博士及廖侃研究员也参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金、“万人计划”科技领军人才的资助。

      论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiab284

      水稻(Oryza sativa L.)是我国重要的粮食作物之一，粒型是决定水稻产量与稻米品质的重要因素之一。亚洲栽培稻分为籼稻 (O. sativa ssp. indica) 与粳稻 (O. sativa ssp. japonica) 两个亚种，籼粳稻在生理特性上存在许多显著区别，在粒型性状上，籼稻粒细长而粳稻粒短圆。研究水稻的起源演化对合理和有效利用种质资源及品种改良具有重要参考价值，对水稻粒型调控机制的研究有助于阐明籼粳稻籽粒发育调控分子机制的差异，也将为粒型性状改良提供理论基础。

      近日，上海交通大学薛红卫课题组在Science Bulletin上发表了题为Rice SPL12 coevolved with GW5 to determine grain shape的研究论文。该研究发现，水稻转录因子SQUAMOSA promoter-binding protein-like 12 (OsSPL12) 与粒型调控关键基因Grain Width 5 (GW5) 存在协同进化的可能，最终导致籼粳稻粒型的差异。

      SPLs是植物特有的一个转录因子家族，参与多种发育过程和生理活动的调控。水稻SPLs家族成员在产量性状调控方面发挥重要作用，例如IDEAL PLANT ARCHITECTURE1 (IPA1)/OsSPL14抑制水稻分蘖并促进穗分枝，Grain Width8 (GW8)/OsSPL16特异调控水稻粒宽等。

      该研究通过进化和功能分析，发现水稻OsSPL12参与籼粳稻粒型差异的调控。首先通过群体遗传学与功能学的双重验证，发现籼粳稻OsSPL12在转录激活域的一个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism, SNP) SNP1066能显著改变OsSPL12的转录活性，导致籼稻OsSPL12具有更强的转录活性；对转基因材料粒型的分析进一步明确了低活性的粳稻OsSPL12能促进粒宽而高活性的籼稻OsSPL12则抑制粒宽。

      利用转基因材料幼穗组织进行的转录组学分析发现，籼稻OsSPL12影响更多下游基因的表达，其中调控粒宽的关键基因 GW5受籼稻OsSPL12特异调控。对基因启动子的分析发现，GW5的启动子区域存在多个SPLs家族识别与结合的基序(GTAC)，提示OsSPL12可能直接结合在GW5的启动子区域进而调控其转录。进一步结合“3000份水稻基因组计划”数据，发现OsSPL12的等位基因与GW5等位基因存在交互作用，即籼稻SPL12与籼稻GW5的组合显著抑制粒宽。

      此前的研究表明，粳稻中GW5的低表达主要是由于GW5启动子上游约5 kb处一段1212-bp的缺失。研究发现，该1212-bp区域富含大量GTAC基序且OsSPL12可以直接与该区域结合并调控下游基因的表达，推测在籼稻中OsSPL12与1212-bp以增强子-启动子的方式促进了GW5的表达。
         

籼粳稻中OsSPL12与GW5调控粒型的作用机制示意图。

      综上所述，该研究阐明了水稻驯化中OsSPL12与GW5存在共进化并协同决定水稻粒型，证明了OsSPL12在籼粳稻粒型分化上的重要作用，也为未来针对粒型改良的精准分子设计育种提供了重要的分子模块。

      上海科技大学张晓凡博士为论文第一作者，薛红卫教授为通讯作者。上海交通大学杨春艳博士、中科院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究员和王佳伟研究员也参与了研究工作。该研究得到国家重点研发计划、转基因生物新品种培育重大专项、“万人计划”科技领军人才与“作物逆境生物学”河南省协同创新中心的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.005