Sci Adv(IF14.957)|山东大学丁兆军、于子鹏团队利用蛋白质组学揭示Auxin和BR协作调控拟南芥下胚轴伸长新机制

下胚轴伸长是刚发芽的幼苗到达土壤表面并暴露在阳光下的先决条件。生长素(Auxin)在下胚轴伸长中的作用在一个多世纪前就已确立,除了生长素外,油菜素内酯(BRs)在下胚轴伸长中也起着重要作用。而Auxin与BR在下胚轴伸长过程中的相互作用尚不完全清楚。


2023年1月,山东大学生命科学学院丁兆军、于子鹏团队在Science Advances杂志上发表题为“Auxin promotes hypocotyl elongation by enhancing BZR1 nuclear accumulation in Arabidopsis”文章,旨在通过蛋白组学研究Auxin和BR协作调控拟南芥下胚轴伸长新机制。拜谱生物提供了LC-MS/MS蛋白质谱和磷酸化修饰蛋白质组学技术服务。

Sci Adv(IF14.957)|山东大学丁兆军、于子鹏团队利用蛋白质组学揭示Auxin和BR协作调控拟南芥下胚轴伸长新机制


英文标题:Auxin promotes hypocotyl elongation by enhancing BZR1 nuclear accumulation in Arabidopsis

中文标题:生长素通过增强拟南芥BZR1核积累促进下胚轴伸长

期刊:Sci Adv

2023年影响因子:IF=14.957

发表时间:2023年01月

作者单位:山东大学生命科学学院

研究材料:拟南芥幼苗

拜谱提供服务:LC-MS/MS蛋白质谱和磷酸化修饰蛋白质组学





01

研究结果




01

生长素诱导下胚轴伸长依赖于BZR1

作者通过用PIC(人工合成的生长类似物)处理不同组幼苗,观察表型发现,虽然野生型(WT)幼苗在PIC处理后下胚轴延长,但这种效应在突变体bzr1中几乎消失,而在35S::BZR1YFP幼苗中增强(图1,A和B)并使两个与下胚轴伸长相关的BZR1下游基因增强表达(图1C),而且PIC还促进了BZR1- YFP在细胞核内的大量积累 (图1,D和E),表明生长素诱导的下胚轴伸长依赖于BZR1,生长素诱导的BZR1核积累可能参与其中。

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图1. 生长素促进下胚轴伸长依赖于BZR1

(图片再编辑,源自:Yu Z., et al., Sci Adv,2023 Jan.)


02

生长素诱导的BZR1核积累和下胚轴伸长依赖于MPKs

接下来,作者利用互作蛋白LC-MS/MS蛋白质谱,以鉴定与生长素信号通路相关并与BZR1相互作用的蛋白质。在BZR1相互作用的候选蛋白中,发现了激酶BIN2(可以磷酸化BZR1)和两种蛋白激酶,MPK1和MPK3 (图2A),MPK家族其他成员如MPK1/MPK2/MPK14已被证明可被生长素激活,这表明生长素诱导的BZR1核积累可能是由MPKs介导的。通过使用MPK抑制剂(U0126)或MPK激活剂(EGF)进行化学处理,探索了MPKs在生长素引发下胚轴伸长中的作用,结果表明生长素诱导的BZR1核积累和下胚轴伸长需要MPKs(图2,B-E)。随后,作者进一步证明了MPKs中的MPK3/MPK6在生长素诱导下胚轴伸长中起主要作用,而且MPK3/MPK6磷酸化GRF4并取消其对BZR1亚细胞定位的调控,从而实现生长素诱导的BZR1核积累和下胚轴伸长。

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图2. MPKs促进BZR1的核积累。

(图片再编辑,源自:Yu Z., et al., Sci Adv,2023 Jan.)


03

MPK3/MPK6在残基S248处磷酸化GRF4

体外激酶实验表明MPK激酶5 (MKK5)激活的MPK3和MPK6磷酸化GRF4(图3,A和B)。为了鉴定被MPK3和MPK6磷酸化的GRF4位点,作者进行了磷酸化修饰蛋白质组学分析。作者在MKK5DD-MPK3-GRF4和MKK5DD-MPK6-GRF4的体外反应中都检测到一个独特且一致的磷酸化位点S248(图3,C和D)。作者将S248突变为GRF4S248A中大小相似且不可磷酸化的残基丙氨酸,并重复体外磷酸化实验。GRF4S248A不再被MPK3或MPK6磷酸化(图3E),表明GRF4的S248是唯一被MPK3和MPK6同时识别的磷酸化位点。另外,S248残基的磷酸化在控制GRF4蛋白稳定性方面起着关键作用。作者进一步证实GRF4是通过26S蛋白酶体降解的,26S蛋白酶体抑制剂MG132的加入完全阻断了GRF4的降解,而且生长素诱导的GRF4降解依赖于MPK3/MPK6,生长素引发的GRF4失稳对于生长素诱导的下胚轴伸长至关重要。

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图3.MPK3和MPK6共享GRF4的S248磷酸化位点。

(图片再编辑,源自:Yu Z., et al., Sci Adv,2023 Jan.)


02

小结




综上所述,作者提出一个可能的工作模型来解释生长素如何在下胚轴伸长期间促进BZR1核积累(图4):被BIN2磷酸化的BZR1通过14-3-3蛋白从细胞核运输到细胞质并保留在细胞质中,而生长素激活的MKK5-MPK3/MPK6模块磷酸化GRF4并通过26S蛋白酶体引导其降解。释放的BZR1重新进入细胞核,并被BR激活的PP2A去磷酸化,这使其恢复转录活性并诱导下胚轴伸长。

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图4.生长素促进BZR1核积累,诱导下胚轴伸长

(图片再编辑,源自:Yu Z., et al., Sci Adv,2023 Jan.)

03

拜谱小结




作者通过前期实验发现生长素促进下胚轴伸长依赖于BZR1,接着利用LC-MS/MS蛋白组学分析筛选BZR1互作蛋白,发现了14-3-3家族的GRF4,而且GRF4还与MPK3/MPK6互作。还利用磷酸化蛋白组学发现MPK3/MPK6可以磷酸化GRF4的S248位点,再结合其它的分子实验,共同揭示了生长素通过MPK3/ MPK6调控GRF4蛋白稳定性增强BZR1核积累促进下胚轴伸长的分子机制。

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参考文献:

Yu Z,Ma J,Zhang M, et al. Auxin promotes hypocotyl elongation by enhancing BZR1 nuclear accumulation in  Arabidopsis. Sci Adv. 2023;9 (1):eade2493. doi:10.1126/sciadv.ade2493.




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