新的植物热形态发生的信号通路被发现

2021年5月14日，Nature Communications 发表了比利时根特大学的Ive De Smet和Kris Gevaert教授为共同通讯作者的题为The membrane-localized protein kinase MAP4K4/TOT3 regulates thermomorphogenesis的研究工作，证明了一条独立于PIF4和光信号通路以外的调节热形态发生的信号通路，MAP4K4/TOT3是该通路的核心调节因子。

热形态发生（thermomorphogenesis）是指植物响应环境温度的升高而发生的形态变化，其特点包通过增加器官的伸长生长从而帮助热胁迫下的植物生存，以提高叶冷却能力。到目前为止，热形态发生的调控只被证明与光信号通路相交。

蛋白质的可逆和动态磷酸化是许多细胞信号级联反应的关键。为了确定在开花植物中保守的热形态发生调节因子，作者使用磷酸化蛋白质组学的方法来绘制了双子叶和单子叶植物在温暖温度下蛋白质磷酸化的变化。

首先，在双子叶拟南芥中，分析了从对照条件(21 °C)转移到温暖温度(27 °C)的Col-0幼苗的磷蛋白质组学变化。为了捕捉蛋白质磷酸化状态的早期和动态变化，在暴露于27 °C之前(0 分钟)以及暴露后12、24和60 分钟采样。通过对不同时间点间的磷酸蛋白质组数据比较，发现了212个差异调控的磷酸酶切位点，它们映射到180个功能不同的蛋白质。紧接着，作者比对了拟南芥数据集、小麦叶片和颖花、暴露在升温60 分钟的大豆叶片的磷蛋白质组数据集，揭示了42个同源异构体，它们在大豆或小麦中也存在磷酸化的变化，作者将这些同源异构体命名为TOTs，（TARGETs OF TEMPERATURE )。

进一步，作者优先考察了预测的与膜相关的TOT，发现唯一包含蛋白激酶结构域的TOT3（TARGET OF TEMPERATURE 3 ）基因。TOT3编码MAP4K4，这是被称为MAP4K家族的蛋白激酶分支中的一个保守成员。GFP-TOT3定位于下胚轴、子叶和初生根分生组织中的质膜上。遗传学试验与互补试验表明，证实了TOT3的活性是热形态发生所必需的。同时，与小麦中的同源基因进行分析，表明TOT3是植物温敏生长的保守调节因子。

接下来，作者评估了TOT3与已知的温度信号成分以及下胚轴生长调节剂phyB和PIF4之间的遗传交互作用，在28 °C，利用tot3-2、phyb-9突变体和pif4-101to3-2双突变体，发现TOT3和phyB信号在热形态发生中具有相加效应，TOT3和PIF4也可能存在着相加效应。

随后，作者探索了TOT3的(直接)下游靶点和相互作用的蛋白，以定位TOT3在触发温度诱导生长的细胞信号级联中的位置。使用串联亲和纯化技术(TAP)对在拟南芥细胞培养中表达的GSrhino标记的TOT3(GSrhino：TOT3)进行了蛋白质-蛋白质相互作用研究，证实了TOT3与TOI4/MAP4K6或TOI5/MAP4K5之间的相互作用，并表明这些相互作用是温度无关的。酵母双杂交(Y2H)分析进一步证实了TOT3-TOI4/5的相互作用。

为了测试TOI4和TOI5在温度信号中的预期作用，作者构建了功能丧失的TOI4和TOI5突变体，以及各种与TOT3的双突变组合，TOT3在热形态发生途径中的显性遗传作用，与TOI4结合在一起发挥着主要作用，而TOI5可能起次要作用，TOT3是温度介导的生长的中心调节因子。

最后，鉴于油菜素内酯信号在控制热形态发生中的重要作用，作者探索了TOT3和BR的联系。遗传学分析表明，在温暖的温度下，TOT3影响BR介导的生长控制。TOT3通过调节BZR1的活性来控制油菜素甾体介导的下胚轴在黑暗中的温热生长。

综上，该研究证明了一条独立于PIF4和光信号通路以外的调节热形态发生的信号通路，TOT3是该通路的核心调节因子。同时，在温暖的温度下，TOT3影响BR介导的生长控制。另外，TOT3作为高温介导的生长反应的调节因子在单子叶植物中也是保守的。因此，该研究表明保守的TOT3复合体在暖温性作物育种方面具有巨大的潜力，可以作为靶点基因，有助于气候变暖的情况下保持粮食安全。