Synergistic Binding of bHLH Transcription Factors to the Promoter of the Maize NADP-ME Gene Used in C4 Photosynthesis Is Based on an Ancient Code Found in the Ancestral C3 State

生物 C4光合作用 转录因子 基因 遗传学 光合作用 抄写(语言学) 发起人 基因表达调控 调节顺序 基因调控网络 基因表达 植物 语言学 哲学
作者
Ana Rita Borba,Tânia S. Serra,Alicja M. Górska,Paulo Gouveia,André M. Cordeiro,Ivan Reyna‐Llorens,Jana Kneřová,Pedro M. Barros,Isabel Alexandra Abreu,M. Margarida Oliveira,Julian M. Hibberd,Nelson J. M. Saibo
出处
期刊:Molecular Biology and Evolution [Oxford University Press]
卷期号:35 (7): 1690-1705 被引量:41
标识
DOI:10.1093/molbev/msy060
摘要

C4 photosynthesis has evolved repeatedly from the ancestral C3 state to generate a carbon concentrating mechanism that increases photosynthetic efficiency. This specialized form of photosynthesis is particularly common in the PACMAD clade of grasses, and is used by many of the world's most productive crops. The C4 cycle is accomplished through cell-type-specific accumulation of enzymes but cis-elements and transcription factors controlling C4 photosynthesis remain largely unknown. Using the NADP-Malic Enzyme (NADP-ME) gene as a model we tested whether mechanisms impacting on transcription in C4 plants evolved from ancestral components found in C3 species. Two basic Helix-Loop-Helix (bHLH) transcription factors, ZmbHLH128 and ZmbHLH129, were shown to bind the C4NADP-ME promoter from maize. These proteins form heterodimers and ZmbHLH129 impairs trans-activation by ZmbHLH128. Electrophoretic mobility shift assays indicate that a pair of cis-elements separated by a seven base pair spacer synergistically bind either ZmbHLH128 or ZmbHLH129. This pair of cis-elements is found in both C3 and C4 Panicoid grass species of the PACMAD clade. Our analysis is consistent with this cis-element pair originating from a single motif present in the ancestral C3 state. We conclude that C4 photosynthesis has co-opted an ancient C3 regulatory code built on G-box recognition by bHLH to regulate the NADP-ME gene. More broadly, our findings also contribute to the understanding of gene regulatory networks controlling C4 photosynthesis.
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