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植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用

 

基本信息

题目:Maize VKS1 Regulates Mitosis and Cytokinesis during Early Endosperm Development
期刊:Plant Cell
作者及单位:中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所巫永睿教授为通讯作者,博士生黄永财和副研究员王海海为共同第一作者
ABclonal合作产品和技术:无缝克隆试剂和VKS1抗体定制
物种:玉米
应用:WB IF

接下来小编带着大家一起感受下科研工作者如何匠心独运的发现影响玉米籽粒大小的分子机理,同时也有幸邀请到文章一作对论文进行概述点评;文末更有彩蛋等着大家。

 

1、研究背景

胚乳早期发育是籽粒发育的一个重要阶段,伴随着快速而活跃的细胞分裂过程,短时间内形成大量的胚乳细胞,是决定玉米籽粒大小和产量的关键因素。玉米籽粒发育从双受精到成熟脱水大约需要7周,但胚乳完成细胞分裂和分化只需要8天左右,之后大部分胚乳细胞不再分裂,也就是说胚乳细胞的数目在发育早期就决定了,中后期胚乳细胞只是储存物质合成和增大并进行程序性死亡。

驱动蛋白(Kinesin)最先是1985年从鱿鱼的轴质中分离的一种马达(Motor)蛋白,能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的货物分子沿微管运动,在调控微管的能动性、胞内运输、有丝分裂以及染色体运动等方面发挥着重要功能。微管系统在早期胚乳发育活跃的有丝分裂和快速的细胞化过程中起重要作用。

玉米胚乳早期发育过程一直被认为是非常重要的一个发育阶段,但由于很难通过正向遗传学筛选到特异影响早期发育的因子以及研究方法的限制,近几十年来早期发育的研究大多仅是细胞学形态的观察,而机制的研究甚少。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所巫永睿教授(通讯作者),博士生黄永财和副研究员王海海(共同第一作者)及其研究团队在玉米早期胚乳发育过程中取得重大突破,相关研究成果发表于植物类顶级期刊Plant Cell杂志。该研究第一次克隆了马达驱动蛋白并在功能上解析其在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用,揭示了早期胚乳细胞数目增殖对最终籽粒大小决定的重要分子机理。硕博生黄兴、助研王琼、副研究员王婕琛、所级平台李吉钦、上海交通大学王文琴副教授,安冬博士也合作参与了该项研究工作。

 

2、研究内容及结果

1、vks1突变体影响籽粒大小不一的发育

巫永睿研究组通过大规模EMS诱变,筛选到一个比较有意思的突变体,它影响籽粒的发育不同于以往报道,一个纯合突变体果穗上的籽粒不光都变小,而且变小的程度不一,表现出大小变异的籽粒,而且在不同后代之间也有很大差异,他们将这个突变体命名为varied kernel size 1(vks1)。通过反复回交证实这种表型变异是由单基因突变而不是多突变基因座的组合效应引起的。野生型WT(A619)的单粒重量显示出有限的变异,而在vks1中,其范围为0.0128至0.1898g。在不同阶段检查胚乳发育表明vks1的颗粒小主要是由细胞数量的减少而不是细胞大小的减少引起的。早在4 DAP中观察到vks1中细胞数量的减少(图1G-1N),但是在晚胚乳发育中谷粒填充似乎是正常的。在成熟时,储存蛋白质和淀粉含量与WT中没有显示出可察觉的差异,表明VKS1主要在胚乳发育的早期阶段起作用。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

Figure 1. Nonuniform Small-Kernel Phenotype of vks1.

2、Vks1在籽粒发育早期高表达

通过WB实验研究发现Vks1在籽粒发育过程中的早期(授粉后2和3天)特异高表达,而早期正是细胞快速增殖的活跃阶段。

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Figure 2. Expression level of Vks1 in seeds of A619 and B7 at 2 DAP and 3 DAP.

3、马达驱动蛋白VKS1在胚乳发育过程中的作用

研究组进一步通过免疫荧光方法观察到马达驱动蛋白VKS1与有丝分裂过程中的微管共定位在一起,而突变体由于缺少VKS1蛋白导致微管系统紊乱。一方面,在胚乳发育的起始合胞体阶段游离核不能形成正常的核质域,表现出紧贴着胚囊壁和聚集在一起不分散,这种状态将严重影响合胞体阶段游离核的迁移。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

Figure 3. Phenotypes of the Syncytium in the WT and vks1.

另一方面,在旺盛的细胞增殖有丝分裂过程中,突变体胚乳大量出现有丝分裂微管形态异常细胞,纺锤体两极不聚拢,成膜体异常、细胞板形成缺陷以及部分染色体等不能均等的分离到两个子细胞,形成大小核和多核细胞等不正常的胚乳细胞类型。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

Figure 4. Early Endosperm Mitotic Divisions in the WT and vks1

由于早期细胞分裂是一个快速而动态的过程,而每粒种子在这两个快速连续的过程中受到的影响程度不同,缺失VKS1后,有可能籽粒大部分早期胚乳细胞都是异常的,有可能只有少数细胞异常,一个纯合突变体果穗上不同籽粒由于有丝分裂和胞质分裂异常程度不同,导致细胞数目减少的程度不同,最终形成变异的籽粒大小。

 

文章小结

该研究阐明了马达驱动蛋白在胚乳发育过程中的作用,揭示了胚乳早期发育与有丝分裂这样一个基础的细胞生物学过程的重要关系,为胚乳早期细胞数目决定最终籽粒大小提供了直接有力的证据,为将来遗传改良提高产量等提供了候选基因和分子机制。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

Proposed Model for VKS1 Function and the Varied-kernel-size Phenotype

 

一作专栏

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

第一作者:黄永财
目前职位:中国科学院分子植物科学卓越创新中心/上海植物生理生态研究所四年级在读博士生
教育经历:中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所,遗传学,博士&硕士;四川农业大学,本科
科研经历:
2015年本科毕业后,我保送进入中国科学院上海植物生理生态研究所,有幸加入巫永睿研究员课题组进行硕博连读。在这期间,我经历了系统的科研训练,享受玉米科学的研究过程,与本课题组其他成员合作的文章分别在Plant Biotechnology Journal (Li et al., 2018)和The Plant cell (Yang et al., 2018)上发表。
自入学以来,我从头开展vks1这个课题的研究。在团队的共同努力下,经历无数次摸索,我们首次通过活体的免疫荧光方法研究玉米早期胚乳发育。我们对整个籽粒发育过程进行了细胞学观察,发现突变体籽粒变小的主要原因是早期胚乳发育过程中细胞数目减少。进一步的遗传和分子细胞学研究表明由于马达驱动蛋白(ZmKIN11)失去功能,在玉米早期胚乳快速的细胞分裂过程中,影响了游离核的核质域形成及迁移,以及在有丝分裂过程中纺锤体的组装、染色体的分离及成膜体的形成,最终影响了早期胚乳发育过程中细胞的增殖。一个纯合突变体果穗上不同籽粒由于有丝分裂和胞质分裂异常程度不同,从而导致大小变异的籽粒。这项研究首次克隆和功能解析了马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用,揭示了早期胚乳细胞数目增殖对最终籽粒大小决定的重要分子机理。这是玉米胚乳发育的一个里程碑式的研究,它将早期胚乳发育中特定基因、正向遗传学、细胞生物学、发育和产量性状联系在一起。这项研究将是这一领域良好的开端。

 

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

共同第一作者:王海海
目前职位:副研究员,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院上海植物生理生态研究所
教育经历:2004-2009,南京农业大学遗传学专业博士;2000-2004,山西农业大学农学专业学士
本人简介:
博士期间建立了棉花遗传转化体系并系统研究了果胶裂解酶基因GhPEL在棉纤维发育中的生物学功能。2009 -2016年在中国科学院上海植物生理生态研究所从事杨树木质发育机理的研究,首先建立了杨树栽培种的遗传转化体系,同时成功解析了NAC转录因子PtSND2在木质发育中的分子机理,另外系统研究了阿拉伯半乳糖基因PtFLAs在木质发育和应拉木形成中的分子机理。研究结果发表在Plant Cell Reports, Plant Molecular Biology, Scientific Reports, Tree Physiology, Journal of Experimental Botany等期刊,总引用次数为251次。2016年至今在植生所巫永睿课题组从事玉米胚乳早期发育机理和硬质胚乳形成机理的研究。最近,我们通过遗传学、分子生物学和细胞学的方法解析了驱动蛋白KIN11(ZmVKS1)在玉米早期胚乳发育中作用机制,发现VKS1通过影响胚乳细胞有丝分裂中微管系统的形成从而影响早期胚乳细胞的分裂,最终影响胚乳细胞数目和籽粒大小。这项工作的完成为我们进一步揭示玉米早期胚乳发育的分子机理奠定了坚实基础。

《植生所巫永睿组首次解析马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用》

 

解析文献

Maize VKS1 Regulates Mitosis and Cytokinesis during Early Endosperm Development

 

参考文献

1. Abe, A., Kosugi, S., Yoshida, K., Natsume, S., Takagi, H., Kanzaki, H., Matsumura, H., Yoshida,K., Mitsuoka, C., Tamiru, M., Innan, H., Cano, L., Kamoun, S., and Terauchi, R. (2012).Genome sequencing reveals agronomically important loci in rice using MutMap. Nature Biotechnology 30, 174-178.
2. Ambrose, J.C., and Cyr, R. (2007). The kinesin ATK5 functions in early spindle assembly in Arabidopsis. Plant Cell 19, 226-236.
3. Ambrose, J.C., Li, W., Marcus, A., Ma, H., and Cyr, R. (2005). A minus-end-directed kinesin with plus-end tracking protein activity is involved in spindle morphogenesis. Mol Biol Cell 16, 1174 1584-1592.
4. Bannigan, A., Lizotte-Waniewski, M., Riley, M., and Baskin, T.I. (2008). Emerging molecular mechanisms that power and regulate the anastral mitotic spindle of flowering plants. Cell Motil Cytoskeleton 65, 1-11.
5. Brown, R.C., Lemmon, B.E., and Olsen, O.A. (1994). Endosperm Development in Barley: Microtubule Involvement in the Morphogenetic Pathway. Plant Cell 6, 1241-1252.
6. Brown, R.C., Lemmon, B.E., and Nguyen, H. (2003). Events during the first four rounds of mitosis establish three developmental domains in the syncytial endosperm of Arabidopsis thaliana. Protoplasma 222, 167-174.
7. Chan, J., Calder, G., Fox, S., and Lloyd, C. (2005). Localization of the microtubule end binding protein EB1 reveals alternative pathways of spindle development in Arabidopsis suspension cells. Plant Cell 17, 1737-1748.
8. Chen, C., Marcus, A., Li, W., Hu, Y., Calzada, J.P., Grossniklaus, U., Cyr, R.J., and Ma, H. (2002). The Arabidopsis ATK1 gene is required for spindle morphogenesis in male meiosis. Development 129, 2401-2409.

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