作者：HQC
细胞伸长对于植物的形态建成、生长以及应对环境变化至关重要。植物细胞伸长受内源激素包括生长素、油菜素内酯、赤霉素和光照等环境因素共同调节。强光会导致DNA损伤，产生过量的活性氧，并损害光合作用。植物为应对强光带来的损害，会积累包括花青素在内的"防晒"类黄酮物质。目前，报道的同时参与植物细胞伸长和花青素合成两个通路的调控因子非常少。
2022年03月24日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授与德国波恩大学植物生理与生物技术研究所Dorothea Bartels教授课题组合作于国际学术期刊Cells（即时IF：7.4）在线发表了题为“Overexpressionof HLH4 Inhibits Cell Elongation and Anthocyanin Biosynthesis in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究发现了一个同时控制植物细胞伸长和花青素合成的新调控因子。
作者在前期研究中筛选到一个未知功能的bHLH 类转录因子HLH4（Hou et al. 2022），过表达该转录因子导致拟南芥产生矮小、油绿的表型。进一步观察发现过表达该转录因子的一些植株还产生花发育异常以及黑暗中子叶张开等表型（图1）。分析表明异常表型的严重程度与HLH4表达的剂量正相关。细胞学观察发现过表达HLH4的植株细胞伸长受到严重抑制，同时叶片叶绿素含量显著高于野生型（图1）。HLH4基因主要在幼苗和花中表达、其编码的蛋白定位于细胞核但无DNA结合活性。通过RNA-seq分析表明过表达HLH4导致大量和花青素合成以及细胞伸长相关基因下调。作者一方面通过RT-qPCR 验证了这些差异表达基因受HLH4调控，另一方面通过强光胁迫实验表明HLH4显著抑制光胁迫造成的花青素积累（图2）。
图1 过表达HLH4产生矮小、油绿等异常表型
因为HLH4不具有DNA结合活性，作者推测HLH4通过和其他转录因子互作来调控下游基因表达。通过酵母双杂交文库筛选以及免疫沉淀质谱联用等手段，发现HLH4和其他两类bHLH 转录因子互作，一类为具有DNA结合活性的CIB5家族成员，另一类为不具有DNA结合活性的PRE1家族成员。通过酵母双杂点对点验证、双分子荧光互补以及原生质体免疫共沉淀验证了HLH4和CIB5、PRE1的互作。
图2 HLH4显著抑制光胁迫造成的花青素积累
进一步研究揭示CIB5可以激活细胞伸长相关基因EXP8、EXP11、IAA7、IAA17等的表达，但不能激活花青素相关基因MYB75、TT8、TT5、TT6的表达。HLH4通过互作和CIB5形成异源二聚体抑制了CIB5的DNA结合活性进而导致CIB5不能激活下游基因表达，而PRE1竞争性的和HLH4互作，从而部分解除了HLH4对CIB5的抑制，因此三个转录因子形成一个相互拮抗的系统来调控细胞伸长。值得指出的是，虽然HLH4过表达植株中大量花青素合成相关基因显著下调，但并不是通过和CIB5互作来调控这些基因的表达。因为除CIB5外，HLH4还和很多其他具有DNA结合活性的转录因子互作，作者推测这可以解释HLH4为什么能参与调控包括花青素合成、光形态建成等多个生物学通路。
图3 HLH4与CIB5、PRE1互作调控细胞伸长和花青素相关基因的分子机制
本研究为国内外多家科研机构共同合作完成，主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院、北京科技大学顺德研究生院以及德国波恩大学植物生理与生物技术研究所等单位，青年教师侯全璨为该论文第一作者，波恩大学Dorothea Bartels教授和万向元教授为共同通讯作者。同时，江苏科技大学晁楠博士、中科院植物所博士生胡滨滨也参与了该研究。该研究得到十四五国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、北京市科技新星和国家留学基金委项目联合资助。
原文链接：
https://www.mdpi.com/2073-4409/11/7/1087
参考文献：
1. Hou, Q.; Zhao, W.; Lu, L.; Wang, L.; Zhang, T.; Hu,B.; Yan, T.; Qi, Y.; Zhang, F.; Chao, N.; Bartels, D *.; Wan, X *. Overexpression of HLH4 Inhibits Cell Elongation and AnthocyaninBiosynthesis in Arabidopsis thaliana. Cells 2022, 11, 1087.
2. Hou, Q.; Zhang, T.; Zhao, W.; Lu, L.; Qi, Y.; Bartels,D *. Genetic backgroundand cis-organization regulate ALDH7B4 gene expression in Eutremasalsugineum: a promoter analysis case study. Planta 2022, 255, 52.
