中国农业科学院作物科学研究所在小麦调控耐旱与生长平衡研究中取得重要进展

2022/8/3 8:49:05　阅读：282　发布者：

近日，New Phytologist在线发表了来自中国农业科学院作科所小麦抗逆分子育种创新研究组题为“Mitogen-activated protein kinase TaMPK3 suppresses ABA response by destabilizing TaPYL4 receptor in wheat”的研究论文，该研究报道了MPK3-PYL模块可以作为一种负调控机制，有助于小麦平衡干旱胁迫响应和正常的植物生长信号。

随着日益严重的水资源短缺，干旱对世界农业，尤其是作物产量构成了重大威胁。蛋白激酶在植物逆境应答中起着重要作用，参与细胞调节和代谢等许多功能。它们可以催化ATP的γ-磷酸基团可逆转移到其下游靶蛋白的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸上，从而改变靶蛋白的位置、活性或稳定性。PYR1/PYL蛋白是植物激素ABA的胞内受体，正向调节ABA信号传递。它也是调控植物ABA敏感性和水分利用效率的重要靶标分子，控制其稳定性或活性将直接影响ABA信号的传导。丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联途径可以连接多种环境和植物发育信号。然而，在干旱胁迫刺激下，ABA信号转导和MAPK级联相互作用的分子机制仍不明晰。

该研究发现，过表达TaMPK3基因显著降低了小麦的耐旱性和对ABA的敏感性。在苗期干旱胁迫条件下，过表达株系表现出较低的存活率；在成株期干旱胁迫条件下，过表达TaMPK3小麦的粒宽和千粒重降低。干扰TaMPK3基因的表达在一定条件下可以提高小麦的耐旱性。MPK3与PYL4相互作用可以抑制PYL4的活性，通过降解PYL4负调节ABA信号传递；单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥和大豆中也存在MPK3-PYL互作模块。

在正常条件下，MPK3对PYL4的抑制会干扰胁迫信号传递，防止胁迫响应对植物正常生长的影响；而干旱胁迫下快速产生的ABA可以削弱MPK3介导的PYL4的降解，从而促进ABA信号传递并激活植物胁迫响应。为了限制胁迫信号对植物生长的抑制或在胁迫刺激消失后迅速恢复正常生长，植物可能通过增加TaMPK3的水平以下调ABA信号中PYL4的功能。该研究证实了小麦MPK3可以通过促进PYL4的降解来负向调控小麦的耐旱性，可能在小麦干旱胁迫响应与正常生长信号之间起到平衡作用。

（a）：Y2H检测中TaPYL4和TaMPK3的相互作用。酵母菌在不含Leu、Trp、His和Ade的人工缺陷选择培养基上，于30°C培养4 d后拍照。上面的数字表示四次连续稀释。（b）：LCI分析表明烟草中TaPYL4-cLUC与TaMPK3-nLUC直接相互作用。虚线圆圈表示注射区域。（c）：Pull-down实验表明TaPYL4在体外与TaMPK3发生物理相互作用。CBB图像显示pull-down反应后蛋白的上样情况。（d）：Co-IP结果显示烟草中TaPYL4和TaMPK3之间的相互作用。将TaPYL4-MYC与TaMPK3-Flag或Flag载体共转染烟草叶片，培养36-48 h后，用anti-Flag琼脂糖对总蛋白进行免疫沉淀，并用anti-MYC抗体检测洗脱组分。Input表示上样对照。

（a）：体外细胞游离蛋白降解实验表明，在对照和20 μM ABA处理下，TaMPK3-RNAi、WT和TaMPK3过表达小麦植株提取物中TaPYL4-His的降解情况。Rubisco为上样对照。（b）：Y2H分析TaMPK3-BD与TaPYL-AD的相互作用。在不含Leu、Trp、His和Ade的选择培养基中添加5 μM ABA，检测ABA对TaMPK3和TaPYL相互作用的影响。对照组排除ABA的非特异性影响。（c）：LCI分析表明ABA减少了烟草中TaPYL4-cLUC与TaMPK3-nLUC的相互作用。虚线圆圈表示注射区域。每个数据点为5片叶片相对萤火素酶活性的平均值（±SD）。（d）：ABA信号相关基因TaPP2C1、TaPP2C2、TaPP2C6、TaDHN3和TaPOD21在对照（CK）和20 μM ABA处理条件下TaMPK3-OE和WT植株中的表达。

在正常和干旱条件下，TaMPK3与TaPYL4的相互作用可能抑制其活性，通过降解PYL4负调节ABA信号传递。在正常条件下，TaMPK3对TaPYL4的抑制可能会干扰应激信号传递并允许植物正常生长，而干旱胁迫下快速产生ABA可以减少TaMPK3介导的PYL的降解，从而促进ABA信号并激活应激反应。为了限制胁迫信号对植物生长的抑制或在胁迫刺激消失后迅速恢复正常生长，植物可能通过增加TaMPK3的水平以下调ABA信号中TaPYL的功能。