2018年6月13日，生命科学学院蛋白质与植物基因研究国家重大实验室的秦跟基教授课题组在国际知名学术期刊New Phytologist上发表了题为“The Arabidopsis USL1 controls multiple aspects of plant development by affecting late endosome morphology”的研究论文。该论文揭示了一个内膜运输相关蛋白USL1通过影响生长素输出蛋白PIN1的极性定位不仅调控叶片发育也调控植物其他发育过程。

叶片不仅是植物的重要器官，其形态和大小也直接影响农作物的产量。植物研究领域一个非常重要的科学问题就是叶片的形态和大小是如何调控的。作为植物中的重要激素生长素在调控叶片发育过程中起到重要作用，而在细胞质膜上的生长素输出蛋白PIN1的极性定位在控制生长素的分布中起关键作用。已有研究发现反向运输复合体成员VPS29对于维持PIN1蛋白的极性定位进而控制生长素分布非常重要。但VPS29在植物中是如何调控的还很不清楚。

通过正向遗传学的方法，秦跟基课题组筛选到一个叶片小且卷曲的拟南芥突变体usl1（unflatten small leaves）（图1A和1B），深入分析发现该突变体的表型是由于T-DNA插入到USL1基因中使其失活造成。与多个内膜相关的标记蛋白共定位分析表明USL1定位在内膜运输中的晚期内吞体（late endosome）上，呈点状分布，这与调控PIN1蛋白极性定位的反向运输复合体成员VPS29相似，进一步分析表明USL1与VPS29共定位。非常有意思的是，在usl1突变体中，VPS29的定位以及晚期内吞体的形态由点状改变成环状，这说明USL1对于维持晚期内吞体的形态以及调控VPS29的功能发挥重要的作用。与USL1调控VPS29的功能相一致，usl1突变体的表型与vps29突变体的表型非常相似，不仅叶片变小不平整，而且植物的胚胎、侧根等发育都有缺陷。确实，正如vps29突变体中PIN1蛋白的极性定位不正常一样，usl1突变体中PIN1的蛋白定位明显有问题。该论文还进一步通过免疫共沉淀联合质谱鉴定（Co-IP/MS）以及其他细胞生物学的方法证明了USL1与VPS34、VPS15、VPS30共同形成PI3K蛋白复合体来调控VPS29和PIN1蛋白的极性定位。

该研究不仅发现了USL1与PI3K形成复合体调控反向运输复合体成员VPS29，而且也提供了一种可能的调控叶片形态和大小以及植物可塑性发育的分子机制（图1C和图1D）。即USL1的改变，直接影响了PI3K的功能，进而影响晚期内吞体的形态和生理作用，在晚期内吞体上起作用的反向运输复合体的功能自然受到影响，从而影响PIN1由内膜循环到细胞质膜上的效率，进而影响PIN1在细胞质膜上分布的位置和多少（图1C和图1D）。根据该作用机制，当USL1的表达和功能受发育信号和环境信号的微调时，可能影响到PIN1和生长素的分布，最终控制叶片形态和大小以及植物可塑性发育。该研究发现USL1表达具有特异性，说明USL1受发育信号的影响，未来对USL1是否受其他环境因素调控的研究将非常有意义。

秦跟基课题组博士生原荣荣为该论文的第一作者，秦跟基教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金创新群体、国家杰出青年基金以及北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

北京大学秦跟基课题组致力于通过研究叶片发育，寻找控制植物器官发育的重要共有保守调控机制。近年来通过分子遗传学和生化分析发现了多个基因在调控叶片发育中起重要作用，其中包括该课题组发现的转录因子、转录抑制因子和E3泛素连接酶形成TCP/TIE/TEAR调控模块来精细调控叶片、分枝和胚珠发育的新机制（Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018）。

图1. 突变体usl1的表型和USL1的作用机制。

图1. 突变体usl1的表型和USL1的作用机制。A和B，usl1-1和usl1-2叶片发育具有相似的表型，都产生小而卷曲的叶片。C，在野生型拟南芥细胞中，USL1与PI3K形成复合体，调控晚期内吞体和反向运输复合体成员VPS29的功能，进而调控PIN1的极性定位和生长素的分布，从而调控叶片和其他器官的发育。D，在usl1突变体中，USL1的功能缺失导致晚期内吞体的形态由点状变成环状，影响了反向运输复合体的功能，进而影响PIN1的定位和生长素的分布，导致包括叶片在内的多个器官发育出现缺陷。

原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.15249

植物分枝是影响植物株型的关键因素，不仅对植物适应环境非常重要，也影响农作物和园艺作物的栽培方式或产量，因此解析植物分枝形成的分子调控机制具有重要理论和应用价值。

在植物分枝形成过程中，首先在叶的基部叶腋处形成腋芽，然后腋芽活性决定了腋芽形成休眠芽还是继续生长形成分枝。目前已发现TCP转录因子家族的BRANCHED1 (BRC1)是模式植物拟南芥中腋芽活性调控的关键因子。TCP中的“T”是来自于玉米的著名驯化基因TB1，其活性的增加使大刍草被驯化为栽培玉米时分枝减少，BRC1即是TB1在拟南芥中的直系同源基因，功能非常保守。BRC1/TB1不仅在拟南芥和玉米中调控分枝，在很多其他重要农作物如水稻、高粱、番茄、豌豆以及马铃薯中均具有调控分枝的作用。BRC1/TB1的重要性也显示在其受多种影响分枝的内外因素如光、独角金内酯和细胞分裂素等在转录水平上调控其表达，因而其处于分枝调控的中心环节。然而，BRC1/TB1在蛋白水平上的调控机制还很不清楚。

北京大学生命科学学院秦跟基课题组通过遗传筛选首次发现了一个调控植物叶片发育的重要基因TIE1，该基因编码一个转录抑制因子（Tao et al., 2013, Plant Cell）。在此研究基础上，该团队与来自西班牙的合作者发现，过量表达TIE1不仅使叶片形态发生变化，也使植物的分枝增多（图1A），深入分析表明TIE1能特异地在腋芽部位表达，并且表达量随着腋芽的发育而降低（图1B）。遗传证据进一步证明了TIE1在植物分枝形成过程中起到重要调控作用，当TIE1功能降低时，植物的分枝明显减少。他们发现TIE1蛋白可与BRC1蛋白直接相互作用，并且确定了TIE1与BRC1相互作用的区域是BRC1中结合DNA的TCP保守域。转录组测序确定了TIE1和BRC1共调控多个与分枝相关的基因，包括已知的BRC1直接下游基因如HB21、HB40和HB53。最后该研究确定TIE1是通过在蛋白水平上抑制BRC1的活性来调控其下游基因，进而控制植物分枝的分子机制（图1C）。

该研究不仅首次发现一个转录抑制因子在蛋白水平上抑制BRC1/TB1的功能，也揭示了一种植物如何根据内外环境精细调控BRC1/TB1的活性进而灵活地控制植物分枝的分子机制。这一重要发现为农作物分子设计育种提供了理论基础和基因资源。该成果最近以题为“The TIE1 Transcriptional Repressor Controls Shoot Branching by Directly Repressing BRANCHED1 in Arabidopsis” 在线发表在国际知名学术期刊PLOS Genetics上（全文网址http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1007296）。

图1. TIE1调控植物分枝。（A）TIE1过量表达引起植物分枝增加；（B）TIE1特异在腋芽中表达；（C）TIE1调控分枝的工作模型。TIE1通过和BRC1直接相互作用，通过招募共抑制子TPL或影响BRC1与启动子的结合来抑制BRC1的功能，进而影响下游分枝相关基因HB53等的表达，从而调控植物分枝。

南方科技大学副研究员杨琰博士和马德里自治大学博士后Michael Nicolas博士为共同第一作者。北京大学生命科学学院、现代农学院的秦跟基教授和马德里自治大学的Pilar Cubas教授是该论文的共同通讯作者。值得一提的是，北京大学秦跟基教授团队近年来从解析叶片发育分子机制入手，通过遗传、生化和分子生物学等手段研究以TCP转录因子和TIE1转录抑制因子为中心的植物叶片发育和分枝形成的植物器官发育的核心保守调控机制，先后在Plant Cell（Tao et al., 2013；Guo et al., 2015；Zhang et al., 2017）、Cell Research（Wei et al., 2015）和PLOS Genetics（Yang et al., 2018）等国际知名期刊上发表多篇相关重要原创成果。该研究得到了国家重点研发计划、农业部转基因重大专项、西班牙经济部（MINECO）以及北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。