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功能冗余的 LNG3 和 LNG4 基因通过激活 XTH17 和 XTH24 来调节膨压驱动的极性细胞伸长。

Functionally redundant LNG3 and LNG4 genes regulate turgor-driven polar cell elongation through activation of XTH17 and XTH24.

机构信息

Department of Biological Sciences, KAIST, Daejeon, 34141, South Korea.

Division of Biological Sciences and Institute for Basic Science/Division of Biological Sciences and Research Institute for Glycoscience, Wonkwang University, Iksan, 54538, South Korea.

出版信息

Plant Mol Biol. 2018 May;97(1-2):23-36. doi: 10.1007/s11103-018-0722-0. Epub 2018 Apr 3.

Abstract

In this work, we genetically characterized the function of Arabidopsis thaliana, LONGIFOLIA (LNG1), LNG2, LNG3, LNG4, their contribution to regulate vegetative architecture in plant. We used molecular and biophysical approaches to elucidate a gene function that regulates vegetative architecture, as revealed by the leaf phenotype and later effects on flowering patterns in Arabidopsis loss-of-function mutants. As a result, LNG genes play an important role in polar cell elongation by turgor pressure controlling the activation of XTH17 and XTH24. Plant vegetative architecture is related to important traits that later influence the floral architecture involved in seed production. Leaf morphology is the primary key trait to compose plant vegetative architecture. However, molecular mechanism on leaf shape determination is not fully understood even in the model plant A. thaliana. We previously showed that LONGIFOLIA (LNG1) and LONGIFOLIA2 (LNG2) genes regulate leaf morphology by promoting longitudinal cell elongation in Arabidopsis. In this study, we further characterized two homologs of LNG1, LNG3, and LNG4, using genetic, biophysical, and molecular approaches. Single loss-of-function mutants, lng3 and lng4, do not show any phenotypic difference, but mutants of lng quadruple (lngq), and lng1/2/3 and lng1/2/4 triples, display reduced leaf length, compared to wild type. Using the paradermal analysis, we conclude that the reduced leaf size of lngq is due to decreased cell elongation in the direction of longitudinal leaf growth, and not decreased cell proliferation. This data indicate that LNG1/2/3/4 are functionally redundant, and are involved in polar cell elongation in Arabidopsis leaf. Using a biophysical approach, we show that the LNGs contribute to maintain high turgor pressure, thus regulating turgor pressure-dependent polar cell elongation. In addition, gene expression analysis showed that LNGs positively regulate the expression of the cell wall modifying enzyme encoded by a multi-gene family, xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase (XTH). Taking all of these together, we propose that LNG related genes play an important role in polar cell elongation by changing turgor pressure and controlling the activation of XTH17 and XTH24.

摘要

在这项工作中,我们对拟南芥 LONGIFOLIA(LNG1)、LNG2、LNG3、LNG4 的功能进行了遗传特征分析,研究了它们在植物营养器官形态建成中的调控作用。我们利用分子和生物物理方法阐明了一个基因功能,该功能通过叶表型及其对拟南芥功能丧失突变体开花模式的后续影响来调节营养器官形态建成。结果表明,LNG 基因通过膨压控制 XTH17 和 XTH24 的激活,在极性细胞伸长中发挥重要作用。植物营养器官形态建成与重要性状有关,这些性状随后会影响涉及种子生产的花器官形态建成。叶片形态是构成植物营养器官形态的主要关键特征。然而,即使在模式植物拟南芥中,叶片形状决定的分子机制也不完全清楚。我们之前的研究表明,LONGIFOLIA(LNG1)和 LONGIFOLIA2(LNG2)基因通过促进拟南芥中纵向细胞伸长来调节叶片形态。在这项研究中,我们利用遗传、生物物理和分子方法进一步研究了 LNG1 的两个同源物 LNG3 和 LNG4。单个功能丧失突变体 lng3 和 lng4 没有表现出任何表型差异,但 lng 四重突变体(lngq)和 lng1/2/3 和 lng1/2/4 三重突变体的叶片长度明显缩短,与野生型相比。通过垂直分析,我们得出结论,lngq 叶片尺寸减小是由于纵向叶片生长方向的细胞伸长减少,而不是细胞增殖减少。这一数据表明,LNG1/2/3/4 在功能上是冗余的,并且参与了拟南芥叶片中极性细胞的伸长。通过生物物理方法,我们表明 LNG 有助于维持高膨压,从而调节膨压依赖性的极性细胞伸长。此外,基因表达分析表明,LNG 正向调节多基因家族编码的细胞壁修饰酶的表达,该基因家族编码木葡聚糖内转糖基酶/水解酶(XTH)。综上所述,我们提出 LNG 相关基因通过改变膨压和控制 XTH17 和 XTH24 的激活,在极性细胞伸长中发挥重要作用。

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