Dev. Cell、ISME J | 湖南大学、岳麓山实验室于峰课题组取得系列新进展

受体激酶在植物界广泛、大量分布，是调控植物生长发育、逆境应答等重要生物学过程的关键信号蛋白，解析其工作机制具有重要的理论价值，并对绿色、高产、优质农业生产具有广泛应用前景。近来，湖南大学生物学院、岳麓山实验室于峰教授课题组围绕受体激酶调控的作物扎根、根系微生物互作及tRNA稳定性等过程取得一系列研究进展。

一、FER驱动根系穿透土壤机制

植物根系穿透土壤的扎根过程，直接影响农作物存活与产量。2024年1月30日，湖南大学生物学院于峰教授课题组在国际知名学术期刊Developmental Cell发表了题为The soil emergence-related transcription factor PIF3 controls root penetration by interacting with the receptor kinase FER的研究论文，揭示了一条全新的、驱动根系穿透土壤的信号通路。

该研究首先确认了拟南芥受体激酶FERONIA（FER）突变体（fer-4）根部存在穿透土壤或硬质培养基的缺陷。利用大豆（FER同源）突变体（Gmlmm1-1）进一步验证了该过程在物种间的潜在保守性。通过对拟南芥根系（野生型Col-0和fer-4突变体）进行单细胞转录组测序分析，确定了FER在根部发育和信号转导中的重要作用；通过生物信息学预测分析确定了根冠细胞中FER的下游靶标为转录因子PIF3。最后，通过染色质免疫沉淀和凝胶迁移实验证实了PIF3结合机械力敏感离子通道PIEZO的启动子，调节其在根冠表达。

综上所述，该研究解析了控制根系穿透土壤的关键信号模块FER-PIF3-PIEZO，并结合前人已发现PIF3调节子叶破土而出的证据，进一步推断PIF3可能是植物响应环境信号协调子叶“向上生长”与根部“向下生长”的重要调节因子。同时，该研究为利用单细胞转录组技术研究组织特异性的信号转导途径提供了一个实践案例，也为农作物的分子智能育种提供一个新的潜在设计靶标。

图1. FER-PIF3驱动根系根穿透土壤的信号通路示意图

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.01.001

二、水稻调节根际氧水平影响微生物组的分子机制

作物根系泌氧能力影响作物生长与生态环境适应的诸多方面。2024年1月23日，国际权威期刊The ISME Journal在线发表了湖南大学、岳麓山实验室于峰课题组题为Rice receptor kinase FLR7 regulates rhizosphere oxygen levels and enriches the dominant Anaeromyxobacter that improves submergence tolerance in rice的研究论文。该研究发现水稻受体激酶FLR7负调节根际氧水平，从而富集可提高水稻耐淹性的根系优势菌厌氧粘细菌。

该研究首先在水稻中鉴定出类FERONIA受体激酶FLR7可以调控根际氧气水平，并负调节水稻根中通气组织的大小；接着通过16S扩增子测序确定FLR7影响水稻根系菌群的组成，其中变化最为显著的是优势菌属厌氧粘细菌，该菌在突变体根系的丰度锐减；进一步的宏基因组分析和接种实验表明突变体flr7根系微生物组中的好氧特征增加、厌氧特征减少；最后以代表的厌氧粘细菌菌株展示了它增强水稻幼苗耐淹性的应用潜力。这些结果揭示FLR7介导水稻根际氧水平的变化，富集有益的优势菌属厌氧粘细菌。该研究极大促进了人们对植物、环境和微生物三者之间互作协同机制的理解，也为特定环境下功能性土壤微生物的应用提供了启示。

图2. FLR7调控水稻根系菌群组成

论文链接：

https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae006

三、FER-YUELAO模块通过调节tRFs丰度参与翻译控制

植物响应环境信号后，如何通过调控RNA代谢等过程，从而提高植物环境适应能力的机制尚不清晰。2023年12月16日，湖南大学、岳麓山实验室于峰课题组在国际知名学术期刊Developmental Cell发表了题为The FERONIA-YUELAO module participates in translational control by modulating the abundance of tRNA fragments in Arabidopsis的研究论文，揭示了拟南芥受体激酶FER通过调节tRFs的丰度，从而抑制全局mRNA翻译的分子机制。

FER最早被发现参与植物双受精过程，并以此获得西方神话故事爱情女神FERONIA（FER）的命名。本研究发现FER通过直接磷酸化一类tRNA结合蛋白来调节tRF丰度，从而调控植物双受精等功能，并进一步把这类tRNA结合蛋白以中国神话故事中关于爱情的神仙“月老”来命名（YUELAO, YL）。FER和YL的下调抑制tRNA的胞嘧啶-5-甲基化和2′-O-甲基化修饰，从而增加了tRF的丰度。此外，还发现YL是FER信号传导的重要遗传下游靶点具有双受精等缺陷，敲低特定tRF部分挽救了FER和YL突变体的根毛生长缺陷。因此，该研究揭示了tRF丰度的调节机制，以及它们在抑制植物翻译中的重要作用。

图3. FER-YUELAO调节tRFs丰度参与翻译调控

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.10.014