葉綠體可以通過光合作用產生糖，同時葉綠體可以響應多種環境信號，並通過逆行信號（retrograde signaling，RS）調控光合作用相關核基因的表達，從而調節葉綠體發育。研究表明RS可以調控多種生理過程，但我們對RS在調控開花時間方面的作用知之甚少。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100515
2023年1月2日，韓國高麗大學Ji Hoon Ahn課題組在Plant Communications雜誌上在線發表了題為「Chloroplasts prevent precocious flowering through a GOLDEN2-LIKE-B-BOX DOMAIN PROTEIN module」的研究論文，揭示了葉綠體在長日照條件下防止早花的分子機制。
通過分析擬南芥中一系列葉綠體發育缺陷突變體開花時間，作者發現葉綠體負向調控擬南芥開花時間。為解析分子機制，作者篩選了葉綠體RS途徑的關鍵突變體，發現只有glk1/2雙突變體提早開花，而過表達GLK1或GLK2會延遲開花。同時，利用一種可以對葉綠體造成光損傷的除草劑達草滅（norflurazon，NF）處理擬南芥，作者發現野生型在NF處理下表現出加速開花的反應，而glk1/glk2對NF反應不敏感。結合其他實驗數據，作者認為GLK1/2在負向調控開花時間的RS通路中起作用。
為了確定GLK1/GLK2的下游靶點，作者利用RNA-seq分析，發現B-box結構域蛋白（BBXs）轉錄因子基因BBX14、BBX15和BBX16在glk1/2、p35S::GLK1:SRDX和NF處理的植物中下調（圖1A）。為了驗證GLK1和GLK2是否參與BBXs的激活，作者進行了雙螢光素酶報告分析。在glk1/2突變體中下調的BBXs中，BBX14、BBX15和BBX16（BBX14/15/16）的啟動子活性被GLK1/2強烈激活，而BBX3、BBX10和BBX27啟動子的誘導反應較弱（圖1B）。過表達GLK1和GLK2的植物中BBX14/15/16表達顯著上升，而BBX14/15/16的表達在glk1/2突變體中顯著下降。進一步的GUS分析發現，BBX14/15/16在葉片中高度表達。因此，BBX14/15/16在葉片中的表達受GLK1/2調控。
圖1 BBX14、BBX15和BBX16是GLK1/2的下游靶點
前人研究表明，一些B-box蛋白（BBXs）通過B-box結構域與CO發生互作，抑制其轉錄活性（Song et al., 2020）。酵母雙雜交（Y2H）實驗表明，BBX14/15/16在體外與CO互作（圖2A），免疫共沉澱實驗也表明BBX14/15/16在體內與CO發生相互作用（圖2B）。此外，BBX14/15/16與CO的相互作用發生在細胞核內（圖2C和2D）。
圖2 BBX14、BBX15、BBX16與CO的互作
此外，通過鑑定開花時間通路中GLK1和GLK2的靶基因，發現GLK1/2在開花調控基因FLOWERING LOCUS T（FT）和TWIN SISTER OF FT（TSF）上游起作用。已知在長日照光周期下，CO正向調控FT的表達，促進FT啟動子處的染色質成環（Cao et al., 2014）。那麼，BBX-CO互作是否在FT表達調控中起作用？
研究發現，CO可增強pFT::fLUC的表達，但BBX14、BBX15或BBX16的加入使pFT::fLUC表達顯著下降（圖3A）。另外，同時敲低BBX14-16使FT的mRNA水平增加（圖3B），而過表達BBX14/15/16的植物中FT的mRNA水平降低（圖3C）。
既然BBX與CO可以互作，且BBXs敲低植物中FT的mRNA水平明顯上升，那麼在glk1/2突變體和過表達BBX16植物中，FT啟動子中CO的豐度有何影響？研究發現，glk1/2突變體中BBX14/15/16的表達水平降低。通過ChIP分析，發現glk1/2突變體中FT啟動子的CO蛋白豐度顯著升高，而在過表達BBX16的植株中CO豐度減少（圖3D）。因此，BBX14/15/16通過與CO互作並阻止CO與FT啟動子結合來調控FT的轉錄。
圖3 GLK-BBX阻礙了CO與FT啟動子的結合
綜上所述，葉綠體通過GLK1/2 -BBX14/15/16模塊阻礙CO與FT的啟動子結合，抑制早熟開花（圖4）。這種葉綠體逆行信號通路可能在發育早期阻止開花來平衡植物生長和生殖發育，使植物生長和產生糖，從而最大限度地促進植物的繁殖。
圖4 葉綠體逆行信號通過GLK-BBX14/15/16
調控開花時間的模型
參考文獻：
Cao, S., Kumimoto, R.W., Gnesutta, N., Calogero, A.M., Mantovani, R., and Holt, B.F. (2014). A Distal CCAAT/NUCLEAR FACTOR Y Complex Promotes Chromatin Looping at the FLOWERING LOCUS T Promoter and Regulates the Timing of Flowering in Arabidopsis. The Plant Cell 26:1009-1017. 10.1105/tpc.113.120352.
Song, Z., Bian, Y., Liu, J., Sun, Y., and Xu, D. (2020). B‐box proteins: Pivotal players in light‐mediated development in plants. Journal of Integrative Plant Biology 62:1293-1309. 10.1111/jipb.12935.
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