Молекулярный модуль координирует формирование клеточной стенки растений и адаптивный рост
Клеточные стенки растений представляют собой клеточную основу архитектуры растения и являются основным компонентом растительной биомассы. Формирование множества агрономических признаков, например, высоты растения и механической прочности, во многом зависит от упорядоченного отложения клеточных стенок и точного контроля их биосинтеза. Поэтому накопление клеточной стенки тесно связано с различными биологическими процессами роста и развития растений.
Точная регуляция биосинтеза клеточной стенки необходима растениям, учитывая их подверженность изменчивым условиям и различным стрессам. Формирование клеточной стенки не только является конечным результатом множества сигнальных путей, но и служит центральным узлом для интеграции внутренних и внешних стимулов, что позволяет сбалансировать различные биологические программы и способствовать компромиссу между множественными агрономическими признаками. Расшифровка молекулярной сети формирования клеточной стенки была одной из горячих тем в науках о растениях, хотя точные регуляторы, способные воспринимать сигналы и координировать различные биологические процессы, сообщаются редко, что затрудняет рациональное проектирование агрономических признаков в селекции сельскохозяйственных культур.
В исследовании, опубликованном в Molecular Plant, группа профессора Чжоу Ихуа из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук сообщила, что модуль рецептороподобной цитоплазматической киназы (RLCK)-VND6, тонкая сигнальная каскадная система, координирует накопление клеточной стенки и пластичность роста у риса.
С помощью глубокого секвенирования транскриптома и полногеномных анализов ко-экспрессии была идентифицирована RLCK с неизвестной функцией, ко-экспрессирующаяся с целлюлозосинтазами вторичной клеточной стенки (названная CSK1), для углублённой характеристики. Экспрессию CSK1 могут индуцировать множественные стрессовые воздействия, что указывает на её роль как интегрирующего узла различных стрессовых сигналов. Увеличение содержания целлюлозы и толщины стенок сосудов и волокон, наблюдаемое у мутантов csk1, а также более высокая транспортная способность ксилемы у мутантов, определяют CSK1 как негативный регулятор формирования клеточной стенки.
CSK1 — это белок, локализованный в ядре и цитоплазме, обладающий истинной киназной активностью. Анализ RNA-seq дикого типа и мутанта csk1 выявил широкий спектр дифференциально экспрессируемых генов, обогащённых GO-терминами, связанными с клеточной стенкой, что позволяет предположить, что CSK1 может помогать контролировать регуляторную сеть вторичной клеточной стенки. Главный регулятор формирования вторичной клеточной стенки VND6 был затем идентифицирован как взаимодействующий и фосфорилируемый субстрат CSK1. Было обнаружено, что VND6 положительно регулирует биосинтез вторичной клеточной стенки, согласно снижению содержания целлюлозы и толщины стенок сосудов и волокон у мутантов vnd6. В то время как VND6 фосфорилируется CSK1, его активирующая активность в отношении нижележащего гена MYB61 ослабляется, тем самым снижая транскрипцию набора генов, связанных с вторичной клеточной стенкой (SCW), и накопление клеточных стенок.
Таким образом, модуль CSK1-VND6 действует как «тормозное устройство» для точной регуляции формирования вторичных клеточных стенок у риса. Дальнейшие исследования показали, что CSK1 и VND6 вовлечены в опосредованную абсцизовой кислотой стрессовую сигнализацию, которая координирует рост клеток и отложение вторичной клеточной стенки.
Это исследование идентифицирует молекулярный модуль для точного контроля биосинтеза клеточной стенки и раскрывает молекулярный механизм, координирующий формирование вторичной клеточной стенки и адаптивный рост, предоставляя инструмент для синергетического улучшения множественных признаков в селекции сельскохозяйственных культур.