近日，華中農(nóng)大油菜團(tuán)隊(duì)聯(lián)合生物信息團(tuán)隊(duì)在國際期刊Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表題為“Comparative transcriptome profiling reveals the multiple levels of crosstalk in phytohormone networks in Brassica napus”的論文。該研究通過涵蓋7種激素處理的198份轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對油菜中不同激素處理下基因的全局響應(yīng)進(jìn)行解析，差異表達(dá)基因分析顯示不同激素處理下的基因響應(yīng)是動態(tài)變化的。

 

　　Phytohormone是指植物通過自身代謝產(chǎn)生的、在很低濃度下就能產(chǎn)生明顯生理效應(yīng)的一些有機(jī)信號分子。植物激素可在合成部位發(fā)揮功能，或經(jīng)維管系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)骄嗪铣刹课幌鄬^遠(yuǎn)的組織中起作用。植物激素調(diào)控植物生長發(fā)育及環(huán)境適應(yīng)的各個(gè)過程，它們既相互獨(dú)立又協(xié)同調(diào)控植物種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長、生殖生長、胚胎發(fā)育、種子成熟和休眠等生長發(fā)育過程。植物激素自發(fā)現(xiàn)以來，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大社會經(jīng)濟(jì)效益。此外，不同植物激素間存在大量相互作用（Depuydt and Hardtke 2011）。系統(tǒng)解析激素之間互作有助于預(yù)測特定功能基因的喪失或過度表達(dá)對植物整體響應(yīng)的影響。在模式植物擬南芥中，利用轉(zhuǎn)錄組圖譜和蛋白互作組揭示了全局水平的激素互作關(guān)系（Nemhauser et al 2006），但在其它植物中特別是異源四倍體油菜，不同激素間的互作仍是未知的。

 

　　研究者進(jìn)一步基于不同激素處理下的差異基因，構(gòu)建了不同層次的激素crosstalk網(wǎng)絡(luò)。這種復(fù)雜的激素互作類似于“多米諾效應(yīng)”，共同維持著植物體的穩(wěn)態(tài)。通過該網(wǎng)絡(luò)，研究者揭示了油菜中不同層次和不同模式的激素互作，例如促生長類激素生長素（IAA）、油菜素內(nèi)酯（BR）、反式玉米素（tZ）和赤霉素（GA）的合成基因?qū)ψ陨淼霓卓棺饔眉捌浯x基因的協(xié)同作用。相反，ABA和MeJA的合成、代謝基因?qū)τ谧陨淼膮f(xié)同作用，這些激素間的互作也說明植物體通過合成和代謝途徑來共同維持體內(nèi)的激素平衡。該研究通過構(gòu)建的互作網(wǎng)絡(luò)鑒定到調(diào)控激素合成的關(guān)鍵基因和轉(zhuǎn)錄因子。例如，GA代謝通路基因的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中共鑒定到306個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，其中BnaC2.FUS3通過結(jié)合到赤霉素合成基因BnaA6.KO的啟動子區(qū)來抑制BnaA6.KO的表達(dá)。另外，分別鑒定到286和244個(gè)與IAA和乙烯（ETH）合成通路基因共表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，這些基因?yàn)檠芯坑筒酥械募に卣{(diào)控提供重要資源。

 

　　已在多個(gè)生物學(xué)過程中表征了赤霉素和細(xì)胞分裂素之間的拮抗作用（Jasinski et al 2005），但關(guān)于二者穩(wěn)態(tài)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)間的直接調(diào)控關(guān)系卻并不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素在誘導(dǎo)甘藍(lán)型油菜中細(xì)胞分裂素生物合成相關(guān)基因BnaIPTs表達(dá)的同時(shí)，抑制細(xì)胞分裂素代謝相關(guān)基因BnaCKXs的表達(dá)，從而促進(jìn)內(nèi)源活性細(xì)胞分裂素的積累。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素信號阻遏蛋白BnaRGA通過促進(jìn)BnaCKXs的表達(dá)降低內(nèi)源細(xì)胞分裂素水平。此外，外源細(xì)胞分裂素處理可通過誘導(dǎo)赤霉素合成相關(guān)基因（如BnaKS、BnaKO、BnaGA20OX1等）的表達(dá)來促進(jìn)活性赤霉素GA3的積累。上述結(jié)果揭示了赤霉素與細(xì)胞分裂素間新的相互作用關(guān)系。

 

　　華中農(nóng)大戴成副教授和楊慶勇教授為該論文共同通訊作者，信息學(xué)院博士后劉東旭和植科院博士研究生閆冠博為該論文共同第一作者。華中農(nóng)大油菜團(tuán)隊(duì)郭亮教授、魯少平副教授對本項(xiàng)研究提供了指導(dǎo)。該研究數(shù)據(jù)分析工作得到作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物信息計(jì)算平臺支持和幫助，得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助。

 

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14063

 

　　英文摘要：

 

　　Plant hormones are the intrinsic factors that control plant development. The integration of different phytohormone pathways in a complex network of synergistic, antagonistic and additive interactions has been elucidated in model plants. However, the systemic level of transcriptional responses to hormone crosstalk in Brassica napus is largely unknown. Here, we present an in-depth temporal-resolution study of the transcriptomes of the seven hormones in B. napus seedlings. Differentially expressed gene analysis revealed few common target genes that co-regulated （up- and down-regulated） by seven hormones; instead, different hormones appear to regulate distinct members of protein families. We then constructed the regulatory networks between the seven hormones side by side, which allowed us to identify key genes and transcription factors that regulate the hormone crosstalk in B. napus. Using this dataset, we uncovered a novel crosstalk between gibberellin and cytokinin in which cytokinin homeostasis was mediated by RGA-related CKXs expression. Moreover, the modulation of gibberellin metabolism by the identified key transcription factors was confirmed in B. napus. Furthermore, all data were available online from http://yanglab.hzau.edu.cn/BnTIR/hormone. Our study reveals an integrated hormone crosstalk network in Brassica napus, which also provides a versatile resource for future hormone studies in plant species.