文章信息

题目：The legume-specific transcription factor E1 controls leaf morphology in soybean

刊名：BMC Plant Biology

作者：Yongli Li, Lidong Dong, Baohui Liu & Qun Cheng

单位：University of Chinese Academy of Sciences

赛思基因（www.scientsgene.com），专注遗传转化技术的应用于开发，致力于打破基因型限制，助力基因编辑育种。

摘要

1

叶片是光合作用所必需的器官，其大小和形状决定了植物的结构从而影响农艺性状。在大豆中，叶片发育的分子机制尚不清楚。目前的研究表明，特异性编码豆科植物开花的B3蛋白的抑制基因E1，是对大豆开花和成熟影响最大的基因。然而，人们对其潜在其他功能的了解依然很少。

本文中，研究者们确定了E1蛋白在叶片发育中的新功能。与野生型东农50（DN50）和威廉82（W82）相比，E1-过表达（E1-OE ）品系大豆的单叶更小、更卷曲。横向组织切片显示，E1-OE系中的细胞杂乱无章，栅栏组织数量、海绵组织数量和泡状细胞数量显着升高。结果表明，E1与叶发育相关的CIN的启动子结合（如 TEOSINTE BRANCHED1 / CYCLOIDEA / PROLIFERATING CELL FACTOR从而负调控其表达。

技术路线

2

主要结果

3

1. E1的过表达影响叶片发育

与DN50相比，E1-OE转基因植物在长日照条件下开花明显较晚，而且植株更矮。对E1-OE和DN50植物的叶片进行评估，E1-OE的叶面积和叶重低于 DN50（图1 c-e），它们也更向下卷曲（图1 c）。E1 - OE系中较高的E1表达与叶片卷曲度增加有关（图1c）。

我们还在Williams82(W82)背景中观察了E1-OE转基因系的表型。与我们对DN50中E1-OE转基因的观察结果一致，E1-OE植物的叶面积和重量比 W82 的更小更轻。因此，可以推测E1可以调节大豆的叶片发育。由于DN50中E1-OE系的遗传稳定性高于W82中E1-OE，因此选择DN50中的转基因系进行后续实验。

图1. DN50 中E1 过表达(E1-OE)植物的叶片表型特征。a)DN50 和E1-OE系中 FLAG 抗体的免疫印迹。b)E1在 DN50 和E1-OE植物中的表达。大豆TUB（GmTubulin) 基因被用作标准化基因表达数据的内参。c)DN50和E1-OE叶片的俯视图。红框表示 DN50 和E1-OE植物叶片的特写图像。d)DN50 和E1-OE植物叶片大小的比较(n=10)。e)DN50 和E1-OE中叶重的比较(n=10)。

2. E1 调节发育叶片中的细胞数量和大小

为了进一步了解E1控制叶片发育的过程，我们分析了E1-OE单叶叶片的横向组织切片。与DN50植物中的细胞相比，E1-OE植物中的细胞更加杂乱无章（图 2a）。通过比较叶片功能性状，例如叶片厚度、细胞张力比(CTR)、海绵组织比(SR)、细胞数量和细胞大小（图2 b-i）发现，E1-OE和DN50 植物的 CTR、SR 和海绵组织大小相似（图2 g、h、i）。相比之下，E1-OE植物的栅栏组织数量、海绵组织数量和泡状细胞数量显着增加（图2 c-e），栅栏组织尺寸较小（图2 f），证实E1可以通过影响叶片发育来调节叶片发育。

图2. DN50和E1-OE植物叶片的细胞大小和细胞数。a)DN50 和E1-OE线的叶片横切面。b)叶片厚度的量化。c)泡状细胞数。d)栅栏组织编号。e)海绵组织数量。f)栅栏组织大小。g)海绵组织大小。h)海绵组织比例。I)细胞张力比

3. E1过表达的RNA-seq分析

为了鉴定与E1介导的叶片发育相关的基因和信号通路，进行了RNA-seq 分析并分析了E1-OE转基因和DN50植物中的差异表达基因(DEG)。两个生物学重复之间的基因表达水平相似（图3a），但在E1 - OE转基因品系和DN50植物之间存在显着差异。参与代谢过程、细胞过程、单一生物过程、对刺激的反应和生物调节的基因在 DEG 中富集（图3b）。比较RNA-seq 数据集并确定共7407个 DEG。其中，3966个基因显着上调，3441个基因显着下调（图3c）。KEGG分析表明，一些对植物生长和发育至关重要的主要代谢通路显着丰富；这些包括脂肪酸代谢、苯丙烷类生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及淀粉和蔗糖代谢（图3d）。

图3.

4. E1 抑制TCP基因

大豆基因组包括19个TCP基因。为了验证所有TCP基因的RNA-seq 结果和E1调控的关系，我们通过 qRT-PCR测试了它们在E1-OE和 DN50 植物中的表达。大多数TCP基因在E1-OE植物中下调，包括TCP6、TCP7、TCP11、TCP13、TCP14、TCP18、TCP19、TCP29、TCP47和TCP49（图4 c-n）。TCP15、TCP36、TCP39和TCP42的表达水平保持不变，TCP32、TCP33和TCP37在E1-OE中上调。

图4.

为了检查E1对其靶基因的调节作用，研究者使用与LUC报告基因融合的TCP14和TCP29启动子（pTCP14:LUC和pTCP29:LUC；图 5a）进行了瞬时表达测定，发现E1显着抑制TCP14和TCP29表达（图5 b）。综上可得出结论，E1 通过抑制TCP来调节叶片发育。

图5.

5. 大豆组织中CIN型TCP基因的转录水平

使用RNA-seq数据库并检索了10个受E1抑制的TCP基因在八种不同组织（花、叶、豆荚、芽、结节、子叶、种子和根）中的转录水平。这些基因呈现出相似的表达模式，并且在叶和子叶中特异性地高表达（图6a-k）。相比之下，所有TCP基因在根瘤和根中都显示出低表达量（图6 a-k）。TCP13、TCP47和TCP49呈现相似的表达模式并且在豆荚、花和枝条中高度表达（图6b、e、j、k）。为了确定TCP基因的组织特异性表达模式，通过qRT-PCR测定了10个CIN型TCP基因的转录水平。qRT-PCR 中的组织特异性表达模式与 RNA-seq 数据中的相似（图6l）。因此推测，受E1调控的CIN型TCP基因在大豆叶片发育中起关键作用。

图6. TCP基因在不同组织中的差异表达。a)大豆植物模型。b-k)TCP6、TCP7 、TCP11、TCP13、TCP14、TCP18、TCP19、TCP29、TCP47和TCP49的表达模式。l) qRT-PCR测定TCP6、TCP7、TCP11、TCP13、TCP14、TCP18、TCP19、TCP29、TCP47和TCP49在不同的大豆组织（花、叶、豆荚、芽、根瘤、子叶、种子和根）中的表达量。

结论

4

根据上文的数据，研究者们确定E1的过表达可以通过直接抑制大量与叶片发育相关的CIN型TCP基因来影响大豆的叶片发育。同时，E1 调节叶片发育和开花的时间。该研究结果为大豆叶片发育的分子机制提供了重要信息。

原文获取

5

https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-021-03301-1

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