上海交通大学农业与生物学院尹若贺研究组发现番茄响应紫外光UV-B新机制

　　番茄是一种重要的园艺作物，也是研究光形态建成的一种模式植物。目前设施栽培是我国番茄栽培的主要形式。设施栽培中光照对壮苗和番茄品质等具有重要影响。紫外光UV-B（280~315 nm）是太阳光中的一个有机组成部分。低剂量的UV-B作为一种环境信号被植物光受体UVR8蛋白感知，通过光信号转导，调控植物的生长发育、次生代谢和对环境逆境的适应性（Yin and Ulm, 2017; Liang et al., 2019; Podolec et al., 2021）。而强UV-B能够破坏植物细胞内的蛋白质和DNA等生物大分子，引起逆境胁迫反应（Shi and Liu, 2021）。光受体UVR8的突变体在模拟自然环境条件下的生长发育表现较野生型差，表明了UVR8介导的光信号通路对与植物适应环境具有重要的作用 （Favory et al., 2009）。研究发现光受体UVR8通过调控大量基因转录表达变化行使其生理学功能（Qian et al., 2020）。在UVR8信号通路上目前已经发现多个转录因子参与基因表达调控，其中转录因子HY5具有非常重要的作用（Brown et al., 2005）。然而紫外光如何激活HY5基因转录以及HY5转录动态变化的调控机理都不十分清楚。

 

　　2022年2月21日，上海交通大学农业与生物学院尹若贺课题组在The Plant Cell杂志发表了题为“Activation and negative feedback regulation of SlHY5 transcription by the SlBBX20/21–SlHY5 transcription factor module in UV-B signaling”的研究论文，揭示了在紫外光UV-B的处理下，番茄转录因子模块BBX20/21-HY5激活HY5基因转录，而过量积累的HY5蛋白抑制自身基因转录，形成自身负反馈环，维持体内HY5的水平，调节番茄的光形态建成（Yang et al., 2022）。

 

　　前人研究发现HY5蛋白是光信号激活HY5基因表达所必不可少的一个元件（Binkert et al., 2014）。然而HY5蛋白缺少转录激活结构域，尚需要未知的辅助蛋白协同转录激活靶基因。在该研究中，研究人员发现在番茄bbx20 bbx21双突变以及hy5单突变体内紫外光激活HY5基因表达的能力显著下降。通过遗传和生化实验证明转录因子BBX20/BBX21和HY5相互作用，以相互依赖的方式激活HY5基因转录。然而在过表达BBX20或BBX21的番茄材料中，紫外光激活HY5基因表达能力反而较野生型明显下降，暗示存在一个负反馈调控机制。通过一系列蛋白-DNA结合实验，发现转录因子BBX20/21和HY5都结合在HY5基因启动子的同一个顺式作用元件上。在体外，HY5比BBX20蛋白具有更强结合HY5基因启动子的能力，在番茄体内紫外光处理引起HY5在自身基因启动子上进一步富集，并抑制BBX20蛋白与HY5启动子的结合。最后，在野生型AC（Ailsa Craig）番茄背景下过表达外源HY5能够显著抑制内源HY5的转录水平。通过这些主要实验证实了转录因子模块BBX20/21–HY5转录激活HY5，而过量积累的HY5蛋白通过和其协同作用蛋白BBX20/21竞争结合自身基因启动子，抑制HY5基因转录，形成一个自身负反馈调控环，从而维持适当的HY5表达水平（图一）。对野生型番茄进行不同时间长度的紫外光处理，发现HY5的转录水平确实是被紫外光瞬时激活，然后快速降低，表明HY5的自身负反馈调控具有重要的生理学意义。

 

　　实验室在前期研究中发现光受体UVR8能够在紫外光的处理下激活RUP基因（拟南芥RUP1/2的同源基因）的转录表达，而RUP通过调控光受体UVR8的二体/单体构象变化，抑制光受体的功能，形成另外一个负反馈调控环（Zhang et al., 2021）。在本研究中，利用番茄rup突变体，研究人员发现RUP负调控环只在早期抑制HY5的转录表达，而后期的负调控主要由HY5蛋白自身调节。因此，在光受体UVR8信号通路上存在至少两个不同的负反馈环，分别在光信号转导的早期和晚期发挥作用，平衡植物对紫外光UV-B的响应（图一）。

 

　　图一、转录因子模块BBX20/21-HY5激活并反馈抑制HY5基因转录的模式图。

 

　　综上，该研究以园艺作物番茄为材料系统深入地解析了紫外光瞬时诱导HY5转录的调控机制，进一步拓展了UV-B转录调控网络，为设施园艺植物响应光环境信号提供了新的理论支撑。上海交通大学博士后杨国骞为论文第一作者，尹若贺副教授为论文通讯作者。实验室助理研究员林丽博士、张春丽博士，博士后方芳，已毕业硕士研究生董华茜、刘小瑞等都做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学致远学者等项目资助。

 

　　参考文献：

 

　　1. Binkert, M., Kozma-Bognar, L., Terecskei, K., De Veylder, L., Nagy, F., and Ulm, R. （2014）。 UV-B-responsive association of the Arabidopsis bZIP transcription factor ELonGATED HYPOCOTYL5 with target genes, including its own promoter. Plant Cell 26, 4200-4213.

 

　　2. Brown, B.A., Cloix, C., Jiang, G.H., Kaiserli, E., Herzyk, P., Kliebenstein, D.J., and Jenkins, G.I. （2005）。 A UV-B-specific signaling component orchestrates plant UV protection. Proc Natl Acad Sci U S A 102, 18225-18230.

 

　　3. Favory, J.J., Stec, A., Gruber, H., Rizzini, L., Oravecz, A., Funk, M., Albert, A., Cloix, C., Jenkins, G.I., Oakeley, E.J., Seidlitz, H.K., Nagy, F., and Ulm, R. （2009）。 Interaction of COP1 and UVR8 regulates UV-B-induced photomorphogenesis and stress acclimation in Arabidopsis. EMBO J 28, 591-601.

 

　　4. Liang, T., Yang, Y., and Liu, H. （2019）。 Signal transduction mediated by the plant UV-B photoreceptor UVR8. New Phytol 221, 1247-1252.

 

　　5. Podolec, R., Demarsy, E., and Ulm, R. （2021）。 Perception and Signaling of Ultraviolet-B Radiation in Plants. Annu Rev Plant Biol 72, 793-822.

 

　　6. Qian, C., Chen, Z., Liu, Q., Mao, W., Chen, Y., Tian, W., Liu, Y., Han, J., Ouyang, X., and Huang, X. （2020）。 Coordinated Transcriptional Regulation by the UV-B Photoreceptor and Multiple Transcription Factors for Plant UV-B Responses. Mol Plant 13, 777-792.

 

　　7. Shi, C., and Liu, H.T. （2021）。 How plants protect themselves from ultraviolet-B radiation stress. Plant Physiol 187, 8.

 

　　8. Yang, G., Zhang, C., Dong, H., Liu, X., Guo, H., Tong, B., Fang, F., Zhao, Y., Yu, Y., Liu, Y., Lin, L., and Yin, R. （2022）。 Activation and negative feedback regulation of SlHY5 transcription by the SlBBX20/21–SlHY5 transcription factor module in UV-B signaling. The Plant Cell 10.1093/plcell/koac064.

 

　　9.Yin, R., and Ulm, R. （2017）。 How plants cope with UV-B: from perception to response. Curr Opin Plant Biol 37, 42-48.

 

　　10.Zhang, C.L., Zhang, Q.W., Guo, H.Y., Yu, X.H., Liang, W.J., Chen, Y.H., Yin, R.H., and Lin, L. （2021）。 Tomato SlRUP is a negative regulator of UV-B photomorphogenesis. Molecular Horticulture 1.