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植物逆境中心朱健康研究组和赵杨研究组构建了ABA受体PYL十四重突变体并揭示了PYL拮抗不依赖ABA的渗透胁迫应答

2018年6月13日,《Cell Reports》杂志在线发表了植物逆境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基因编辑技术构建了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和非ABA途径的激活,响应外界渗透胁迫并产生应答反应。非ABA途径可以激活9个SnRK2蛋白激酶,从而引起植物体内ABA的积累。ABA通过受体PYL抑制PP2C,从而激活部分SnRK2蛋白激酶(SnRK2.2/3/6/7/8)。通过磷酸化下游的底物蛋白,SnRK2调控多种后期应答,包括气孔关闭、生长抑制、衰老与休眠以及其他一些未知的过程。在我们之前的研究中,发现ABA受体PYL8与MYB77直接结合,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持续抑制PP2CA (Zhao et al., Cell Res, 2013);还发现TOR磷酸化PYL,使其失去感受ABA与传递ABA信号的功能,SnRK2磷酸化Raptor,抑制TOR活性(Wang et al., Mol Cell, 2018)。我们最近的研究中,发现水稻pyl1/4/6三种突变体在自然水田条件下表现出最好的生长并提高了谷物产量,同时保持几乎正常的种子休眠(Miao et al., Proc Natl Acad Sci U S A, 2018)。然而,不依赖于ABA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途径之间的相互关系并不清晰。构建ABA受体PYL的多突变体,是研究ABA以及非ABA途径的渗透胁迫应答的基础。

在模式植物拟南芥中,ABA受体PYL家族共有十四个成员(PYR1和PYL1-13)。朱健康研究组和赵杨研究组在PYL六重突变体112458的基础上,利用CRISPR/Cas9技术构建了PYL十二重突变体112458379101112以及PYL十四重突变体112458367910111213。PYL十四重突变体在高湿环境中依然极为矮小,且不能结实,表明ABA信号是植物的生长发育所必需的。PYL十二重突变体表现出发育迟缓、育性降低、种子活力下降、花器官脱落和花药开裂缺陷,并且在SnRK2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对高浓度ABA不敏感。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,以及促进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途径调控非ABA途径的分子机理。

该研究工作由抗逆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

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