中国农业大学巩志忠课题组揭示泛素连接酶PUB11负调控拟南芥干旱胁迫响应的机制

来源：植物科学最前沿

干旱胁迫严重影响植物的生长发育，植物通过改善根系结构及调节气孔关闭以响应干旱胁迫。干旱诱导脱落酸ABA水平升高，ABA一方面通过激活离子通道诱导气孔关闭，另一方面促进下游响应基因的表达，使植物更好地适应不利环境。泛素化修饰是一种重要的翻译后修饰，调控生物体的生命活动。拟南芥中有上千个基因编码泛素连接酶，PUBs作为一类U-BOX型泛素连接酶，一些成员已报道在植物响应旱胁迫和冷胁迫等方面发挥功能。由于拟南芥中含有64个PUBs, 探究是否有其他成员参与干旱胁迫及解析其工作机制具有重要意义。

JIPB近日在线发表了中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室巩志忠课题组题为“Arabidopsis U-box E3 ubiquitin ligase PUB11 negatively regulates drought tolerance by degrading the receptor-like protein kinases LRR1 and KIN7”的研究论文。该研究发现泛素连接酶PUB11与类受体蛋白激酶LRR1和KIN7相互作用，介导LRR1和KIN7的蛋白降解，从而负调控植物的旱胁迫响应。

ABA通过PUB11调控LRR1和KIN7的蛋白稳定性，干旱胁迫或ABA促进PUB11的蛋白积累，当PUB11积累到最大量时，通过泛素化介导LRR1/KIN7的降解，使得LRR1/KIN7蛋白水平下降。

巩志忠课题组通过检测一系列突变体对ABA在气孔关闭方面的响应情况，发现pub11突变体的气孔关闭对ABA较野生型更敏感，在土壤失水及离体叶片失水实验中，表现为较野生型失水慢、更抗旱的表型，而超表达植株失水较野生型更快，对干旱更敏感。结合质谱筛选、双分子荧光互补实验、荧光素酶互补实验、体外结合实验及酵母双杂交实验，发现PUB11与类受体蛋白激酶KIN7和LRR1存在相互作用。PUB11可以体外泛素化LRR1和KIN7，并且体内体外均可以调控后两者的蛋白降解。lrr1和kin7突变体表现为旱敏感的表型，LRR1和KIN7在干旱胁迫响应中发挥正调控作用，进一步实验发现PUB11位于LRR1和KIN7的遗传学上游。ABA不影响PUB11的转录水平，但可以通过抑制其蛋白降解而促进其蛋白水平的积累，随着处理时间的延长，PUB11蛋白先上升，后又逐渐下降。当PUB11积累至较高水平，LRR1和KIN7蛋白量下降。本研究揭示了PUB11-LRR1/KIN7这一负反馈调节元件，防止植物在气孔过度关闭，保持植物干旱胁迫过程中生长与抗旱的平衡。

巩志忠课题组近年来在ABA信号调控及旱胁迫响应研究中取得一系列进展，发现了一些参与调控ABA信号的重要组分 (Hua et al., Plant Cell,2012; Kong et al., Nat Commun, 2015; Wang et al., Plant Cell, 2018; Zhu et al., Plant Cell, 2020)。已毕业博士生陈雪雪为该论文的第一作者，巩志忠教授为通讯作者。中国农业大学杨淑华教授、河南大学宋纯鹏教授及山东师范大学王宝山教授也参与该项研究工作。该研究得到国家自然科学基金的资助。

参考文献：

1. Hua D, Wang C, He J, Liao H, Duan Y, Zhu Z, Guo Y, Chen Z, Gong Z (2012) A plasma membrane receptor kinase, GHR1, mediates abscisic acid- and hydrogen peroxide-regulated stomatal movement in Arabidopsis. Plant Cell 24: 2546-2561

2. Kong L, Cheng J, Zhu Y, Ding Y, Meng J, Chen Z, Xie Q, Guo Y, Li J, Yang S, Gong Z (2015) Degradation of the ABA co-receptor ABI1 by PUB12/13 U-box E3 ligases. Nat Commun 6:8630

3. Wang K, He J, Zhao Y, Wu T, Zhou X, Ding Y, Kong L, Wang X, Wang Y, Li J, Song CP, Wang B, Yang S, Zhu JK, Gong Z (2018) EAR1 negatively regulates ABA signaling by enhancing 2C protein phosphatase activity. Plant Cell 30: 815-834

4. Zhu Y, Hu X, Duan Y, Li S, Wang Y, Rehman AU, He J, Zhang J, Hua D, Yang L, Wang L, Chen Z, Li C, Wang B, Song CP, Sun Q, Yang S, Gong Z (2020) The Arabidopsis nodulin homeobox factor AtNDX interacts with AtRING1A/B and negatively regulates abscisic acid signaling. Plant Cell 32: 703-721