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科研进展

植物逆境中心朱健康和赵杨研究组利用ABA受体PYL十四重突变体揭示ABA信号途径可拮抗非ABA信号途径的渗透胁迫应答

2018-06-13

       2018年6月13日,《Cell Reports》杂志在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组和赵杨研究组题为“Arabidopsis duodecuple mutant of PYL ABA receptors reveals PYL repression of ABA-independent SnRK2 activity”的研究论文。该研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术通过构建ABA受体PYL家族十二重和十四重突变体,发现PYL介导的ABA信号传导途径是植物正常生长发育和非生物胁迫响应所必需的,并揭示了PYL介导的ABA信号途径拮抗非ABA途径的渗透胁迫应答。
 
       植物通过Ca2+信号、ABA信号途径和非ABA信号途径的激活,来响应外界渗透胁迫并产生应答反应。其中,ABA信号通过其受体PYL蛋白家族抑制PP2C,从而激活部分SnRK2 (SnRK2.2/3/6/7/8)蛋白激酶的活性来调控ABA信号通路;而非ABA信号途径则可通过激活9个SnRK2蛋白激酶,来促进ABA的积累。目前,非ABA信号途径调控的渗透胁迫响应是植物抗逆研究中的薄弱环节,作为渗透胁迫的早期应答,ABA途径和非ABA途径之间的互作调控并不清楚。其中,构建ABA受体PYL的多突变体,则成为研究ABA以及非ABA途径的渗透胁迫应答的基础。
 
        拟南芥中ABA受体PYL家族共有十四个成员(PYR1和PYL1-13)。该研究团队围绕该受体功能开展了一系列工作。科研人员发现ABA受体PYL8可与转录因子MYB家族成员MYB77直接结合,通过生长素信号通路调控侧根生长(Zhao et al., Sci Signal, 2014);发现PYL9通过调控ABF和RAV1的磷酸化促进叶片衰老(Zhao et al., Proc Natl Acad Sci U S A, 2016);发现PYL13可以结合PP2Cs,以一种ABA非依赖性方式组成性抑制PP2CA (Zhao et al., Cell Res, 2013);最近研究发现,水稻pyl1/4/6三突变体在自然水田条件下可促进水稻生长并提高水稻产量,同时保持几乎正常的种子休眠(Miao et al., Proc Natl Acad Sci U S A, 2018)。
 
        在本研究中,研究人员在PYL六重突变体112458的基础上,通过CRISPR/Cas9技术构建了PYL十二重突变体112458 379101112以及PYL十四重突变体112458367910111213。研究发现,PYL十四重突变体在正常条件和高湿环境中都极矮小且不能结实,表明ABA信号途径是植物的生长发育所必需的。PYL十二重突变体则表现出发育迟缓、育性降低、种子活力下降、花器官脱落和花药开裂缺陷的表型;并且SnRK2蛋白激酶的激活、气孔关闭、下游基因表达、种子萌发抑制、生长抑制和叶片衰老等多方面都表现出对高浓度ABA的不敏感特征。然而,PYL十二重突变体可以响应渗透胁迫,诱导下游基因表达、促进ABA和脯氨酸的合成,从而进行渗透调节。与野生型相比,pyl多突变体中渗透胁迫对SnRK2的激活更强。研究人员进一步发现,PYL蛋白可以抑制渗透胁迫激活的SnRK2.6,但不能抑制原核表达的SnRK2.6。此外,PYL蛋白可以在植物体内结合SnRK2蛋白,但不能在酵母中结合SnRK2。这项研究发现ABA受体PYL在植物生长发育以及胁迫应答中的重要作用,并发现PYL抑制渗透胁迫激活的SnRK2,解析了ABA信号途径调控非ABA信号途径的分子机理。该研究为深入研究ABA信号途径和非ABA信号途径参与渗透胁迫应答的调控机制奠定了基础,并且为通过基因编辑改造农作物抗旱性、叶片衰老、器官脱落以及育性等相关性状提供了新的思路。
 
        该研究工作由植物逆境中心和普度大学共同完成,朱健康研究员和赵杨研究员是该论文的共同通讯作者。该研究得到了中国科学院与美国NIH的经费资助。

图1. 利用CRISPR/Cas9技术构建PYL十四重突变体
 
 

图2. ABA受体PYL拮抗不依赖ABA的渗透胁迫应答