生长素和茉莉酸共受体的分子和功能进化

How receptor proteins have evoloved to recognize their specific ligands to perceive and response to various interal and external cues is a common theme in life sciences. During evolution, the structurally similar TIR1/AFB and COI1 proteins have diverged from a common F-box containing ancestor to function as the coreceptors of auxin and jasmonate (JA) phytohormones respectively. Capitalizing on chemically distinct indole-3-acetic acid (IAA) or jasmonyl-isoleucine as their cognate ligands is posited to be one of the driving forces for their divergence. The evolution of the ligand affinities of these two group proteins, however, remains untackled. By combining in silico analyses and experimental validation, we will explore the ligand affinity evolution of TIR1/AFB and COI1 proteins in land plants. Our preliminary findings suggest that their distinct ligand affinities have diverged from that of an ancestral protein with high affinity to jasmonoyl-tryptophan (JA-Trp). In addition, the ancient JA-Trp affinity could be retained in extant COI1 proteins. In this project, we will demonstrate in Arabidopsis thaliana that JA-Trp is invoved both in desensitation of JA signal and in orchestrating the homeostasis between auxin and JA signaling. In addition, we will confirm these results in woodland straberry, which will provide further insights into the functional divergence of COI1 prteins in various land plant lineages. Since the homeostasis betwwen plant growth and defense is critical for plant ecological adaption and crop yield, our findings will thus provide new avenue for improve crop yield.

受体蛋白是如何在进化过程中识别不同的配体来响应体内、外信号一直是生命科学研究的主题之一。具有共同祖先的生长素和茉莉酸受体TIR1/AFB和COI1蛋白在进化过程中分别利用化学结构截然不同的IAA和JA-Ile作为配体。结合系统发育分析、蛋白质祖先序列重建和分子对接模拟，初步研究发现JA-Trp可能是TIR1/AFB及COI1蛋白祖先蛋白的配体而且现存COI1蛋白保留JA-Trp的古代配体活性。在已有基础上，我们提出了JA-Trp 参与调节JA 信号脱敏及IAA 与JA 信号动态平衡的模型。本项目将进一步在拟南芥中用实验证明这个模型并在森林草莓中加以验证。对森林草莓COI1蛋白功能的研究也将填补蔷薇科植物COI1蛋白功能的空白，并进一步揭示COI1蛋白在不同植物族系中的功能进化。由于植物在生长和防卫中的投入权衡是决定植物生态适应和作物产量的关键因素，我们的研究也将为提高作物产量提供新的思路。

受体蛋白如何在进化过程中识别不同的配体进而来响应体内、外信号一直是生命科学研究的主题之一。具有共同祖先的生长素和茉莉酸受体TIR1/AFB和COI1蛋白在进化过程中分别利用化学结构截然不同的IAA和JA-Ile做为配体。但是，它们配体亲和性的进化却是极富挑战性的课题。结合系统发育分析、蛋白质祖先序列重建和分子对接模拟我们发现JA-Trp可能是TIR1/AFB及COI1蛋白祖先蛋白的配体而且现存COI1蛋白保留了JA-Trp的古代配体活性。JA-Trp与COI1的特殊对接构象显示出它与COI1的活性底物（JA-Ile/COR）具有不同的功能。JA-Trp能够插入到COI1的底物结合空腔中，同时较长的疏水性氨基酸侧链使得JA-Trp的吲哚环能够较深的插入到空腔中部，占据JAZ与SCFCOI1复合体结合所必须的区域，从而阻止了COI1和JAZ的结合。我们在酵母细胞中通过竞争实验证明JA-Trp可以抑制JA-Ile诱导的COI1与JAZ3的互作。与此结果一致，JA-Trp能够拮抗拟南芥根系对JA的响应，同时能够抑制JA诱导的JAZ1蛋白的降解。为了探索COI1的分子和功能进化，从野生森林草莓中克隆FvCOI1 基因并转化拟南芥coi1-30杂合体，FvCOI1不能恢复coi1-30纯合体雄性不育的表型，证明COI1在森林草莓中发生了较大的分子和功能分化。Trp作为生长素合成的前体物质，JA-Trp的合成影响了IAA和JA的活性库，我们的结果表明JA-Trp能够作为植物体内源的JA信号的抑制剂的同时，协调生长素和茉莉酸的信号互作。我们首次鉴定了定位于核膜的茉莉酸转运蛋白（AtJAT1），并证明AtJAT1介导JA-Ile进入细胞核与SCFCOI1-JAZ结合进而激活JA的核心信号通路。我们的结果对揭示茉莉酸和生长素受体是如何通过分子开发与不同配体结合及其在不同植物族系中的进化具有重要价值。在本项目的资助下，共培养3名博士和6名硕士生；在 Molecular Plant 和Molecular Ecology上发表标注论文一篇，论文获Molecular Plant专题评述、被评为2017年优秀论文并获F1000推荐。获 Frontiers in Plant Science 特邀撰写相关综述（已投稿待发表），另有一篇论文投稿Nature Plants （已外审）。