植物如何应对地下缺水并响应干旱胁迫 多肽长距离运输

   2018年4月,Nature杂志在线发表了来自日本理化学研究所 Kazuo Shinozaki课题组题为“A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signalling”研究论文。该论文发现了多肽CLE25能在根部感受缺水信号,并通过维管束长距离的运输到叶片中,通过与叶片的BAM受体结合后,调控ABA的生成和气孔的关闭,最终,。因此,该文首次研究表明多肽能够作为长距离的分子信号调节非生物胁迫干旱,帮助我们更好的理解植物体应对干旱胁迫的机制,并有效提高植物的抗旱性。

   该文被同期 Nature杂志配备了评论文章“Peptide signal alerts plants to drought”,同时又被近期Molecular Cell 杂志发表评论文章“How Arabidopsis Talks to Itself about Its Water Supply”给予了推荐,可见文章的突破性和重要性。因此,小编认为尽管文章发表了很久,也足以让我们细细品读该文。

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植物生长过程中需要应对不同的胁迫环境,包括生物胁迫(如病原体感染和食草动物的啃食)和非生物胁迫(例如干旱、高温冷害、盐害以及有毒金属毒害)(见下图)。

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图1. 植物需要各种生物性和非生物胁迫(Annu. Rev. Plant Biol. 2017. 68:485–512)

   干旱是影响植物的地理分布、限制农作物产量,并威胁粮食安全的主要环境因子之一。干旱胁迫会使植物体内ABA含量上升,进而使得叶片的气孔关闭,以减少水分的丧失,而脱落酸(ABA)信号转导途径是植物中干旱胁迫的核心信号通路。ABA激活的SnRK2s可以使质膜NADPH氧化酶Rboh F磷酸化,在质外体空间产生O2-,随后形成H2O2,作为信号分子调节气孔关闭过程,另外激活的SnRK2s也可以磷酸化阴离子通道SLAC1,该蛋白同样调控干旱胁迫下ABA介导的气孔关闭以减少水分的蒸腾损失(见下图)。

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   植物细胞能分泌一段很短的多肽蛋白,结合到其他细胞表面上的受体,从而调节植物的发育,故小多肽也称为多肽激素。到目前为止,已经鉴定了1200多种的多肽激素,如:PSK,控制细胞的增殖;IDA,调控根生长;CLV3,与植物干细胞的分化相关;LUREs,指导花粉管的伸长等等(见下图)。同时,多肽激素也能在植物的创伤响应和生物胁迫及非生物胁迫中起到重要的作用,如:CEP和CAPE作为负调控因子调节植物抗盐胁迫反应;该课题也同样报道了AtPep3结合细胞表面受体PEPR1后在植物抗盐胁迫途径上起作用。此外,还有报道有些激素样多肽能够在体内长距离的运行调节组织与组织之间的交流,如:CEP1多肽能够在氮饥饿时调节植物根的生长。但是,至今对多肽激素在植物体内长距离运输以响应非生物胁迫仍然知之甚少!

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经典的小肽分子的作用位点和功能(Annu. Rev. Plant Biol. 2014. 65:385–413)

   在干旱条件下,植物会产生ABA激素,可以帮助植物通过关闭气孔口以防止水份从叶片流失的方式来调节水份。然而,之前人们并不知道植物在根部感应干旱到叶片产生ABA之间的步骤。多肽激素作为小分子的信号肽,已被证实能够在体内长距离的运输,哪么它是否会在其中起作用呢?

  第一,确认根部多肽分子CLE25参与了叶片ABA的合成

   该研究首先用人工合成的27种CLE多肽处理拟南芥的根部,发现只有CLE25多肽能够导致叶片中ABA激素的增加,并进一步能导致气孔的关闭,其水平类似于ABA的添加效果(见下图)。同时通过改进的质谱方法nLC-MS/MS能在叶片中检测到根部处理带标记的CLE25,说明了CLE25是作为一种激素在植物体内起作用,同时CLE25是作为功能性移动信号分子,从根部运输到叶片中。

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  第二,确认CLE25在根部能被脱水胁迫诱导表达。

   既然上述证明CLE25作为一个移动的信号分子,哪它又是响应什么信号?研究表明,植物脱水后根部的CLE25会被诱导表达(图a)。进一步GUS染色表明,CLE25存在于主根、根尖、叶脉和初生根的原形成层等维管束中(图 b.c)。而原位杂交实验显示CLE25表达在初生根的原形成层中(图 d),说明了CLE25在根部诱导表达形成多肽后,转移到维管束组织中,进而到达叶片中。

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  第三,CLE25突变体确认其功能。

   由于多肽基因太小,无法获得T-DNA突变体,因此,该研究通过CRISPR-Cas9技术,构建了cle25突变体。研究表明,植物缺水胁迫诱导的NCED3基因的表达和ABA的浓度上升在两个cle25突变体中被抑制。同时,cle25突变体在水分充足时生长正常,而在缺水胁迫中,表现的更为敏感,因此说明了CLE25在植物响应缺水响应及抗干旱中起到重要的作用。

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  第四,确认CLE25在叶片中的受体及如何诱导ABA合成。

   该研究通过在cle25突变体的根部外源CLE25处理后,发现叶片中的NCED3的基因表达上调,说明了CLE25是在叶中调节表达。进一步的嫁接实验也验证这个结论。同时利用嫁接实验证实了受体蛋白质BAM1和BAM3为CLE25诱导反应所必需,说明了BAM1和BAM3是作为CLE25的受体,调控ABA的合成。

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   综上所述,该文对27种CLE多肽进行了测试,验证了只有CLE25具有促进ABA合成的能力,并且能够诱导NCED的酶。然而干旱能引发NCED3基因的表达,于是作者进一步实验证明了干旱能在根部诱导CLE25的表达,并且能够从根部长距离转移到叶片中与受体蛋白BAM1和BAM3结合后,诱导NCED3表达,导致了ABA浓度升高,同时使气孔开放程度降低,用来响应植物缺水(如下图)。