Nature Commun | 厦门大学黄烯/欧阳鑫昊合作揭示水稻应答紫外光信号的非保守性途径

责编 | 王一

太阳光既是植物光合作用的能量基础，也是调控植物生长发育的关键环境因素。作为太阳光的固有组分，紫外线UV-B波段（280-315 nm）是一种重要的光信号，调控植物光形态建成、辐射胁迫适应、成花转变等生物学过程。UVR8蛋白是负责感知UV-B光的光受体，在进化上起源于绿藻，且为植物所特有。自2011年UVR8在拟南芥中被鉴定为光受体以来，科学家们已在莱茵衣藻、地钱、番茄等多个物种中探究了它的功能保守性。然而，UV-B光信号如何调控单子叶植物的生长发育仍不清楚。生理实验显示，低水平UV-B光照抑制水稻胚芽鞘生长，增强其非生物胁迫耐受性。但是，水稻感知与适应UV-B光信号的分子机制尚未揭示。

近日，细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院黄烯教授和欧阳鑫昊教授合作在Nature Communications杂志上发表了题为Nuclear accumulation of rice UV-B photoreceptors is UV-B- and OsCOP1-independent for UV-B responses的研究论文，揭示了水稻感知与适应UV-B光的分子机制。

首先，该研究建立了UV-B光调控水稻幼苗株型与辐射胁迫适应的实验体系，鉴定了水稻的两个UV-B光受体OsUVR8a和OsUVR8b，并发现适度的UV-B光照能够促进水稻幼苗株高矮化、茎秆增粗，并提高其适应辐射胁迫的能力。该研究利用CRISPR/Cas9技术构建了Osuvr8ab双突变体，发现该突变体不能响应UV-B光产生上述生理效应。而OsUVR8a与OsUVR8b的过表达植株则能增强这些效应，说明UV-B光信号依赖于OsUVR8a与OsUVR8b调控水稻幼苗的发育与胁迫适应。

该研究发现相较于AtUVR8，OsUVR8a与OsUVR8b同样能够感知UV-B光而发生构象变化，但在介导幼苗UV-B光形态建成和胁迫适应方面仅具有部分的功能保守性。OsUVR8a与OsUVR8b亦呈现出一定程度的功能分化。已有研究表明，在UV-B光的诱导下，AtUVR8与AtCOP1发生蛋白相互作用，依赖于AtCOP1在细胞核内积累。该过程是拟南芥UV-B光信号转导的关键步骤。有趣的是，OsUVR8a和OsUVR8b能够利用自身的核定位信号在细胞核中积累。该过程并不依赖UV-B光和OsCOP1，与拟南芥中的机制存在明显不同。随后，该研究通过蛋白互作与结构域交换实验，OsCOP1的N端结构域削弱了其跟OsUVR8a与OsUVR8b的相互作用。这一机制在水稻、大麦、高粱等单子叶植物中保守。

进一步地，为了全面解析水稻与拟南芥UV-B光信号通路的异同之处，该研究通过转录组比较分析，发现两种植物中响应UV-B光的基因类群存在明显差异。虽然两种植物都具有植株矮化、抗辐射能力增强的表型，UV-B光信号在水稻中主要促进防御相关基因表达，而在拟南芥中则主要促进生长相关基因表达。虽然在UVR8-COP1复合体的形成上存在显著差异，水稻与拟南芥中仍具有多个潜在的保守的转录因子家族，参与调控UV-B响应基因的表达，介导生长与防御的过程。

图1 UV-B光信号调控拟南芥与水稻生长与防御的工作模型

综上所述，该研究通过解析水稻UV-B光受体的作用机制，阐明了水稻感知与适应UV-B光信号的分子基础，提出了单双子叶植物UV-B光信号网络的保守性与特异性（图1）。

厦门大学生命科学学院博士生胡珊为论文第一作者，黄烯教授和欧阳鑫昊教授为论文共同通讯作者，钱崇祯、任慧、韩久盼、陈燕玲、董源、陈绎涵、梁馨文、陶文静和王珏也参与了研究工作。该研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、福建省自然科学基金等项目的资助。

黄烯课题组、欧阳鑫昊课题组拟招聘优秀博士后/研究人员若干名，开展光适应性机理与育种应用研究。感兴趣者请投递简历至xihuang@xmu.edu.cn或ouyangxinhao@xmu.edu.cn。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50755-6