浙江大学李冉团队最新PNAS

虎威将军

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CRISPR-Cas9基因组编辑系统通过使得通过非同源末端连接（NHEJ）途径定向引入插入缺失（INDELs），在植物基因功能研究中产生了革命性的影响。引发框移突变的INDELs可以引入提前终止密码子，在某些情况下，还可以导致新蛋白质的出现。
2024年12月18日，浙江大学李冉团队在PNAS（IF=9.4）在线发表题为“A frameshift mutation in JAZ10 resolves the growth versus defense dilemma in rice”的研究论文。该研究发现通过CRISPR-Cas9基因组编辑对水稻茉莉酸（JA）信号通路基因OsJAZ10进行突变并没有影响经典的JA信号通路。然而，一种类型的突变体带有INDEL，产生了一种新的框移蛋白，命名为FJ10（JAZ10框移突变蛋白），该蛋白表现出增强的水稻生长和提高的防治稻纵卷叶蝇的抗性。
在野生型植物中过表达FJ10可表型化OsJAZ10框移突变体的表现。进一步的特征分析显示，FJ10与细长水稻1（OsSLR1）和F-box/Kelch 16（OsFBK16）相互作用。这些相互作用分别干扰了OsSLR1抑制赤霉素介导的生长的功能和OsFBK16抑制木质素介导的防御反应的功能。田间实验表明，过表达FJ10的植物表现出该蛋白解耦了生长与防御之间的权衡，开辟了获得高产且防御不受影响的作物品种的广阔前景。



植物作为初级生产者，是无数草食性动物的重要食物来源，这使得它们在一生中容易受到多种攻击。昆虫草食性动物几乎无处不在，它们对植物的威胁在自然生态系统和农业生态系统中都十分显著。作为定植的有机体，植物已进化出复杂的防御机制来应对草食性动物的攻击。例如，植物利用物理防御（如角质层、细胞壁成分）和化学防御（如特化代谢物）来阻止或毒害草食性动物。茉莉酸（JA）信号通路是植物防御草食性动物的核心通路之一。在JA信号通路的核心是由CORONATINE-INSENSITIVE1（COI1）和JAZ（JASMONATE ZIM DOMAIN）蛋白形成的蛋白复合物。JAZ作为抑制因子，而COI1是一个F-box蛋白，介导JAZ蛋白通过26S蛋白酶途径的降解。在静止状态下，JAZ蛋白与JA反应转录因子（如MYC2）相互作用并抑制其活性。当植物感知到草食性动物的攻击时，生物活性形式的JA（茉莉酸-异亮氨酸，JA-Ile）会迅速在受损部位积累，并作为配体促进COI1与JAZ蛋白的相互作用，从而导致JAZ的降解并激活JA介导的防御反应，如抗草食性动物的化合物积累。然而，植物的防御反应是有代价的。通常，增强的防御反应会伴随生长和繁殖输出的减少，这一现象被称为生长-防御权衡（growth-defense tradeoff），是植物在自然环境中生存的重要机制。
生长-防御权衡使植物能够根据环境压力重新分配有限的资源，从而优化其适应性。植物在与生物压力源长期共存的过程中进化出了复杂的机制来调节生长与防御的平衡。越来越多的证据表明，植物激素的互作在这一权衡中起着重要作用，例如与生长相关的激素赤霉素（GA）、生长素和防御相关的茉莉酸、水杨酸等。在这些激素的互作机制中，JA与GA之间的互作关系已较为清晰。JA衍生物的处理可以增强植物的防御，但抑制植物的生长；相反，JA缺乏的植物则表现为增强的生长，但对坏死性病原和草食性动物的防御反应减弱。机制研究表明，JA通过部分抑制GA信号通路来限制植物生长。JA与GA信号通路之间的第一个直接联系是JAZ-DELLA蛋白的相互作用。与JAZ在JA信号中的功能类似，DELLA蛋白在GA信号中作为抑制因子，阻止与生长相关的转录因子（如植物光敏色素相互作用因子PIFs）的激活。在GA信号通路中，GA的生物活性形式通过GA受体（GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1，GID1）被感知，随后介导DELLA蛋白的降解，释放PIFs以激活与生长相关基因的表达，如膨胀素基因（EXP）。草食性动物或病原引发的JA信号导致JAZ蛋白的降解，从而使DELLA蛋白积累，抑制植物生长。近期的研究还揭示了JA与GA之间互相拮抗的另一个机制：核心JA转录因子MYC2可以通过直接调控赤霉素2-氧化酶（GA2ox）基因的表达来激活GA代谢。



模式机理图（图片源自PNAS）
传统的作物育种旨在最大化与生长相关的性状，这通常会导致高产但防御能力较弱的品种。因此，了解植物生长-防御权衡背后的分子机制对于未来的作物育种计划至关重要，以便获得既具备强大防御又不影响产量的作物品种。基因组编辑技术，尤其是CRISPR-Cas9，已被广泛应用于植物物种的研究，并被用作解除生长-防御权衡的策略之一。例如，使用CRISPR-Cas9同时突变五个JAZ基因和光受体B（PhyB）基因的作物，能够增强植物的草食性动物抗性和植物生长反应。作者以前的研究发现，敲除两个GA代谢基因（GA2OX3和GA2OX7）虽然减轻了稻纵卷叶蝇（BPH，Nilaparvata lugens Stål）引起的生长限制，但并不影响植物对BPH的抗性。
作者在这项研究中，通过CRISPR-Cas9基因组编辑构建了jaz10突变体，以研究OsJAZ10在JA介导的BPH防御反应中的作用。通过比较不同植物的表型，作者发现两种框移突变体（jaz10-3和jaz10-4）表现出比其他突变体和野生型植物更强的防御性和生长性。这些表型是由在这些突变体中产生的新的蛋白质（FJ10）引起的。通过表征FJ10与关键JA成分和经典JA反应之间的蛋白–蛋白相互作用，作者发现FJ10通过JA非依赖性通路调控水稻的生长与防御。接下来，作者确定了FJ10的相互作用伙伴，并解析了FJ10在调控水稻生长与防御中的分子机制。同时，通过FJ10过表达转基因植物进一步确认了其生物学功能。考虑到FJ10在解耦生长与防御权衡中的潜力，作者还评估了不同植物在田间的草食性动物抗性和农业性状。作者的研究结果表明，OsJAZ10中的特定框移突变通过生成一种新的功能蛋白，增强了水稻的生长与防御性。

原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2413564121



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