Plant Physiology | 山东大学张伟课题组揭示高温诱导玉米气孔开放的调控新机制

近日，山东大学生命科学学院张伟教授课题组在Plant Physiology在线发表了题为“ZmMPK20 mediates maize high-temperature regulated stomatal movement through the ZmMKK9-ZmMPK20-ZmRIN2 cascade”的研究论文。该研究发现玉米丝裂原活化蛋白激酶ZmMPK20负调控高温诱导的气孔开放，以平衡水分散失和叶片温度，进而影响玉米植株的高温耐受性。该研究结果有助于加深对植物高温适应性调控机制的认识，并为提高玉米的耐热性提供潜在的理论依据。

高温严重影响作物产量，威胁粮食安全。因此，了解玉米高温适应性的调控机制，继而提高玉米耐热性，对于稳定高温胁迫下的玉米产量具有重要意义。气孔作为陆生植物与环境进行气体和水分交换的门户，同时还扮演着调节植物温度的重要角色。高温会诱导气孔开放，以降低叶片温度，但是不受调控的气孔开放对于高温下植物的水分维持和生存是不利的。

该研究通过正向遗传学手段，在玉米中鉴定到一个高温诱导气孔开放的负调控因子ZmMPK20，并发现ZmMPK20的第307位脯氨酸突变为亮氨酸 (P307L) 导致了玉米突变体hts的高温过敏感表型。通过构建ZmMPK20玉米敲除突变体和过表达株系，以及拟南芥异源恢复株系和异源过表达株系，进一步证实了ZmMPK20在高温介导的气孔运动和高温胁迫响应中的功能。为进一步探究ZmMPK20的作用机制，该研究通过酵母文库筛选，发现ZmMKK9与ZmMPK20互作，并磷酸化ZmMPK20。同时，通过构建ZmMKK9的玉米基因沉默植株和拟南芥异源过表达株系，证实ZmMKK9也负调控高温诱导的气孔开放，进而确定了ZmMKK9-ZmMPK20在玉米高温胁迫响应中的激酶调控级联关系。

此外，该研究在酵母文库筛选过程中还发现ZmMPK20与泛素连接酶ZmRIN2互作，并证实ZmMPK20抑制ZmRIN2的体外自泛素化活性和体内降解。通过对ZmRIN2的玉米基因沉默植株和拟南芥异源过表达株系的表型分析，研究人员发现ZmRIN2在高温诱导的气孔开放过程中也发挥负调控作用。据此，该研究提出ZmMKK9-ZmMPK20-ZmRIN2级联负调控高温诱导的气孔开放，进而增强植株的高温耐受性。为进一步证明该级联的作用，研究人员通过体内蛋白降解实验证实ZmMKK9可以增强ZmMPK20对ZmRIN2降解的抑制作用，并且ZmMPK20的激酶活性在该过程中至关重要。

另外，研究人员还发现P307L突变影响了ZmMPK20与ZmMKK9和ZmRIN2的互作，这种影响可能扰乱了ZmMKK9-ZmMPK20-ZmRIN2级联的正常功能，进而导致了突变体hts的高温过敏感表型。

综上所述，该研究发现了一个高温诱导气孔开放的负调控级联ZmMKK9-ZmMPK20-ZmRIN2。该级联通过负调控气孔开放，维持气孔对高温响应的平衡，避免植物在高温环境中过度失水，进而使植物获得高温适应性。

山东大学张伟教授、齐鲁师范大学路小铎教授和美国加州大学河滨分校Biswa R. Acharya博士为该论文的共同通讯作者。山东大学生命科学学院博士研究生程闯为该论文的第一作者。广东省科学院生态环境与土壤研究所吴琪琪、山东大学王美、陈冬花、沈建霖等参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金项目、山东大学杰出中青年专家项目等基金资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad488

来源： 植物生理PlantPhysiol

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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