Science Advances在线发表了新加坡国立大学On Sun Lau团队题为“Abscisic acid regulates stomatal production by imprinting a SnRK2 kinase–mediated phosphocode on the master regulator SPEECHLESS”的研究论文。该研究利用遗传和生化分析发现ABA信号的三个核心SnRK2激酶可通过与气孔发育中心转录因子SPCH互作，并磷酸化SPCH，从而抑制SPCH的蛋白功能和气孔发育；揭示了ABA抑制气孔形成的分子机制，为植物保水的关键反应提供了新的见解。
DOI: 10.1126/sciadv.add2063
气孔（stomata）是植物与大气之间进行气体交换的表皮小孔，也是植物水分流失的主要位置。在缺水条件下，植物通过诱导激素脱落酸（ABA）来限制新气孔的形成以防止水分的过度流失。ABA信号的核心模块主要由ABA受体、蛋白磷酸酶2C（PP2Cs）和三种SnRK2激酶（SnRK2.2/SRK2D、SnRK2.3/SRK2I和SnRK2.6/SRK2E/OST1）组成。在ABA存在的情况下，ABA与其受体结合以抑制PP2Cs，从而减轻PP2C对SnRK2s的抑制。ABA激活的SnRK2s然后磷酸化下游靶标以介导ABA诱导的细胞反应。在气孔的保卫细胞中，几个离子通道和转录因子是SnRK2.6公认的直接靶标；然而，ABA是如何抑制气孔的产生，在很大程度上仍然未知。
前期研究发现snrk2.6突变体不会影响气孔的数量，认为ABA对气孔数量的抑制与SnRK2.6无关。研究人员推测，这可能是由SnRK2s的基因冗余引起的。通过突变体表型分析，该研究证实ABA信号的三个核心SnRK2激酶可抑制拟南芥气孔前体的启动和增殖，具有冗余性。与此相反，SnRK2.6的过表达可显著减少气孔的产生。此外，通过外源性ABA处理，该研究进一步证实ABA通过SnRK2s来抑制气孔的产生（Figure 1）。
Figure 1. 三个SnRK2介导了ABA的抑制气孔产生
那么，SnRK2s是如何影响气孔发育的？通过SnRK2s在气孔细胞谱系中的表达，该研究发现SnRK2s在气孔的前体细胞中表达，且只有在气孔谱系细胞的早期而非晚期表达的SnRK2s才能调节气孔发育。但SnRK2.6的激酶突变体（SnRK2.6KD）不能调节气孔发育；表明，SnRK2.6对气孔发育的调节取决于其激酶活性（Figure 2）。
Figure 2. 早期而非晚期表达的SnRK2s可调节气孔发育
SPCH（SPEECHLESS）是调控气孔起始的中心转录因子。亚细胞定位显示，SnRK2s在气孔前体细胞的细胞核中富集；研究人员推测它们可能直接与核定位的SPCH相互作用并磷酸化SPCH。利用pull-down、荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（co-IP）体外体内互作实验，该研究证实SnRK2s可直接与SPCH相互作用（Figure 3）。
Figure 3. SnRK2s可直接与SPCH相互作用
SPCH氨基酸序列分析表明，SPCH具有SnRK2的磷酸化靶向序列RxxS（S240）和SxxxxE（S271）。该研究发现SnRK2.6可磷酸化SPCH的这两个位点；当这两个位点同时突变时，SnRK2.6会磷酸化SPCH的S241。进一步通过构建SPCH的磷酸化缺失突变体（S240A、S271A 和 S240/271A）和磷酸化显性突变体（S240D 和 S271D），该研究发现SPCH的两个SnRK2靶向位点在体内具有功能相关性，可以决定SPCH的稳定性和活性（Figure 4）。
Figure 4. SnRK2s可直接磷酸化SPCH
那么，ABA是否调节SPCH的表达和SPCH的磷酸化，从而调控植物对ABA的反应呢？SPCH转录和翻译分析显示，ABA处理对SPCH的转录水平没有影响，但可显著抑制SPCH的蛋白水平；同时，ABA对SPCH蛋白的抑制通过三个SnRK2起作用。与其一致，SPCH-S240/271A的蛋白水平在ABA处理后只表现为适度减少；表明SPCH-S240/271A对ABA具有抗性（Figure 5）。
Figure 5. SPCH的SnRK2磷酸化介导了ABA对SPCH的抑制
与ABA短时处理一致，ABA的长期处理仍对SPCH-S240/271A蛋白轻度抑制；表明ABA介导的SPCH抑制发生在蛋白质水平，并且与SnRK2激酶对SPCH上的两个丝氨酸残基S240/271的磷酸化有关。最后，该研究显示与野生型相比，缺失磷酸化突变体SPCH-S240/271A植物对干旱条件敏感，而显性磷酸化SPCH-S240D植物对干旱更耐受。这些结果表明，SnRK2介导的SPCH磷酸化在介导气孔对干旱的反应中具有功能相关性，可调节植物的耐旱性（Figure 6）。
Figure 6. SPCH的SnRK2磷酸化介导了植物的ABA和干旱响应
综上所述，该研究利用遗传和生化分析建立了SnRK2激酶与早期气孔前体细胞中的主转录因子SPCH之间的直接联系，揭示了ABA抑制气孔形成的分子机制：当ABA水平高时（如缺水），气孔前体细胞中的SnRK2被激活，与SPCH直接互作，并磷酸化其S240和S271位点；磷酸化的SPCH功能被抑制（可能通过蛋白质降解），从而抑制气孔的发育；当供水恢复时，ABA水平下降，SnRK2失活，从而减轻它们对SPCH功能和气孔产生的抑制作用（Figure 7）。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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