上海师范大学杨洪全团队揭示蓝光受体隐花素CRY1调控气孔发育的新机制

JIPB近日在线发表了上海师范大学杨洪全团队题为“Arabidopsis Cryptochrome 1 Promotes Stomatal Development through Repression of AGB1 Inhibition of SPEECHLESS DNA-Binding Activity”（https://doi.org/10.1111/jipb.13168）的研究论文，该论文揭示了拟南芥蓝光受体隐花素CRY1通过削弱G蛋白β亚基AGB1对SPCHLESS的DNA结合能力的抑制作用来促进气孔发育的分子机制。

光通过光受体调控植物的种子萌发、光形态建成、气孔开放和发育、开花时间、生物节律等重要生长发育过程。杨洪全课题组先前的工作表明， CRY（CRY1和CRY2）参与介导蓝光诱导气孔开放(Mao et al., 2005, PNAS 102: 12270-12275)，同时介导蓝光信号对气孔发育的促进作用(Kang et al., 2009, Plant Cell 21: 2624-2641)。G蛋白普遍存在于真核生物中介导外界信号转化成胞内应答反应，由Gα、Gβ和Gγ三个亚基组成。在拟南芥中存在一个Gα亚基(GPA1)，三个非常规的Gα (XLG1, XLG2和XLG3), 一个Gβ亚基(AGB1)和三个Gγ亚基(AGG1, AGG2和AGG3)。其中GPA1促进气孔发育，而XLGs，AGB1和AGG1抑制气孔发育。在拟南芥中，气孔的发育需要一系列精准的细胞分裂与分化的调控。配体信号肽EPFs(EPIDERMAL PATTERNING FACTORs)与受体类激酶ER(ERECTA)家族成员和受体类蛋白TMM(TOO MANY MOUTHS)结合后，信号经由MAPK磷酸化级联反应YDA(MAPKKK)、MKK4/5(MAPKK)及MPK3/6(MAPK)传递给下游3个bHLH类转录因子SPCH(SPEECHLESS)、MUTE和FAMA。三个关键转录因子在氨基酸序列和蛋白结构上彼此具有相似性，分别与SCRMs(SCREAMs, ICEs)蛋白形成异源二聚体，依次在MMC到MC，MC到GMC和GMC到GC的分裂和分化过程中连续发挥关键的正调控作用。其中SPCH是气孔发育过程中的关键正调控因子，决定了第一步的细胞不对称分裂，即气孔细胞系发育的起始。SPCH作为气孔发育的核心分子，受到油菜素内酯(brassinosteroids, BRs)、细胞分裂素 (cytokinin, CK)等激素与温度、光照等外界环境信号的复杂调控，是众多信号调控气孔发育的关键节点。

拟南芥CRY通过与COP1、SPAs、SWC6/ARP6、CIBs、TOEs等下游因子互作调控光形态建成与光周期开花，但CRY介导蓝光促进气孔发育的生化途径及其调控机制尚不清楚。现有的遗传关系分析表明SPCH位于COP1的下游调控气孔发育。而光信号能够促进SPCH蛋白积累，同时抑制与SPCH形成异源二聚体行使功能的ICEs由COP1介导的泛素化和降解。这些结果暗示CRY可能通过SPCH介导蓝光对气孔发育的调控。此外，杨洪全课题组先前的研究发现AGB1通过与HY5相互作用抑制其DNA结合活性，而CRY1与AGB1蓝光依赖性的相互作用抑制AGB1与HY5的相互作用，导致HY5 DNA结合活性增强，抑制下胚轴伸长 (Lian et al., 2018, Mol Plant 11: 1248-1263)。CRY1与AGB1除了拮抗调控光形态建成，也拮抗调控气孔发育。但它们是如何调控气孔发育的、是否有协作调控关系，目前尚不清楚。该研究通过遗传关系分析发现CRY1部分依赖AGB1调控气孔发育，而AGB1与COP1处于并行通路通过SPCH调控气孔发育。进一步的蛋白互作分析表明，AGB1与SPCH发生直接互作。生化实验与基因表达分析表明，AGB1与SPCH的相互作用可能使SPCH的bHLH DNA结合结构域被封闭，导致SPCH的DNA结合能力被抑制，进而抑制其靶基因的表达。由于先前的研究已经发现CRY1与AGB1具有蓝光依赖性的相互作用(Lian et al., 2018, Mol Plant 11: 1248-1263)，本研究进而探究了CRY1与AGB1的相互作用是否会影响AGB1与SPCH的相互作用。一系列的生化分析表明，CRY1与AGB1的相互作用能够抑制AGB1与SPCH的相互作用，释放SPCH的DNA结合活性，促进下游相关基因表达，进而促进气孔发育。这些结果揭示了AGB1调控气孔发育的分子机制，暗示植物可能通过CRY与AGB1拮抗调控SPCH的DNA结合活性，形成一个精细的调控机制，来平衡光信号与G蛋白信号，优化植物最终的气孔密度与排布。

CRY1介导蓝光信号促进植物气孔发育的模型图

（A）黑暗下，CRY处于非活性状态，ICEs被COP1降解，而SPCH的DNA结合结构域被AGB1封闭，因此下游靶基因的表达受到抑制，气孔发育受阻。（B）蓝光激活CRY1，通过C端和N端分别与COP1和AGB1相互作用，同时抑制了COP1介导的ICEs的降解和AGB1对SPCH DNA结合结构域的封闭作用。因此，SPCH下游靶基因激活，促进气孔发育。

复旦大学的博士研究生曹小莉为该论文的第一作者，杨洪全教授和郭彤彤博士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、和上海市重点实验室项目的资助。  

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