中国农大李继刚课题组揭示植物在黑暗下的ABA信号转导机制

来源：植物科学最前沿

2020年2月12日，Molecular Plant在线发表了中国农业大学生物学院植物生理学与生物化学国家重点实验室李继刚课题组题为“PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS interact with ABA receptors PYL8 and PYL9 to orchestrate ABA signaling in darkness”的研究论文。该论文揭示转录因子PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS (PIFs) 通过直接结合ABI5基因的启动子并且激活ABI5的表达，在黑暗下特异调控植物的ABA信号途径；此外，该研究还发现ABA受体PYL8/PYL9能够和PIFs直接相互作用，并且介导PIFs对ABI5的转录调控。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1674205220300319

光不但为植物提供光合作用所需的能量，还调节植物生命周期的多个过程【1】；激素脱落酸 (ABA) 在植物生长发育的多个过程以及植物应对逆境胁迫中都发挥关键的调控作用【2】。先前对植物ABA信号组分的筛选和研究都是在光下进行的，但是植物通常是在黑暗的土壤下完成种子萌发和幼苗发育的过程，而且自然界生长的植物每天都要经历漫长的黑夜。植物在黑暗下的ABA信号途径是否与光下不同，以及是否存在黑暗下特异调控植物ABA信号途径的重要组分，先前并不清楚。

已有的研究表明，PIFs是整合多种信号途径调控植物生长和发育的关键因子，广泛参与到多种植物激素 (如赤霉素、乙烯、生长素、油菜素内酯等) 和外部环境因素 (如高温、光等) 所介导的信号调控网络中【3】。在该研究中，李继刚课题组发现pifq突变体 (即pif1, pif3, pif4和pif5的四突变体) 特异在黑暗下对ABA不敏感 (图1)。通过RNA-seq分析，发现PIFs在黑暗下显著调控ABA信号途径的重要转录因子基因——ABI5的表达。通过qRT-PCR和免疫杂交实验，证明了PIFs确实在黑暗下介导ABA对ABI5基因表达和蛋白水平的诱导。进一步通过酵母单杂交、EMSA和ChIP等实验，证明PIFs可以直接结合ABI5启动子上的3个G-box，而突变这3个G-box则显著改变ABI5启动子的表达模式，并使其对ABA失去响应。遗传学数据表明，ABI5确实是PIFs调控ABA信号途径的关键下游基因。这些结果表明，PIFs通过直接激活ABI5基因的表达，在黑暗下特异调控植物的ABA信号途径。

图1. pifq突变体特异在黑暗下对ABA不敏感

先前的研究表明，PIFs能够和光受体 (包括光敏色素phytochrome和隐花色素cryptochrome) 相互作用，介导植物对光信号的响应【1, 4, 5, 6】。有趣的是，李继刚课题组发现PIFs能够与ABA受体PYL8和PYL9直接相互作用。进一步的研究表明，PYL8/PYL9与PIFs的互作不受ABA调控，但是PYL8/PYL9促进PIF4/PIF5蛋白在黑暗下的积累。先前的研究表明，ABA受体PYR1/PYLs能够抑制ABA信号途径的核心负调控因子——PP2Cs的活性。EMSA和原生质体瞬时表达实验表明，PYL8/PYL9促进PIF4对ABI5启动子的结合，但是抑制PIF4对ABI5的转录激活 (图2)，这表明PYL8/PYL9作为ABA信号途径中的抑制性蛋白，也能抑制其它蛋白 (如转录因子) 的活性，也表明PIFs对ABI5的转录激活受到ABA受体PYL8/PYL9的严格调控。

图2. 在黑暗下，PIFs调控植物ABA信号途径的工作模式图

PIFs直接结合在ABI5基因的启动子上并且激活其表达，而ABA受体PYL8和PYL9与PIFs相互作用，介导PIFs对ABI5的转录调控。

该研究表明，除了光受体之外，PIFs还能够与植物激素受体直接互作，调控激素的信号转导。此外，该研究还进一步支持了某些ABA受体通过与转录因子互作，直接调控基因表达的工作模式【7, 8】。综上，李继刚课题组的该项研究证明了植物中存在黑暗下特异的ABA信号调控组分和途径，有助于进一步理解植物如何根据环境的光信号调整其内源的ABA信号途径，从而在自然界获得更好的生存能力。此外，该研究还为PIFs这类重要转录因子在植物中参与的信号途径及调控机制提供了新的见解。

中国农业大学生物学院博士研究生齐立娟为该论文的第一作者，李继刚教授为通讯作者。中国农业大学生物学院巩志忠教授、中国科学院植物研究所林荣呈研究员和河南大学宋纯鹏教授也合作参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金、农业部转基因专项和青年千人计划的经费支持。

参考文献

[1] Li, J., Li, G., Wang, H., and Deng, X.W. (2011). Phytochrome signaling mechanisms. Arabidopsis Book 9:e0148.

[2] Li, J., Wu, Y., Xie, Q., and Gong, Z. (2017). Abscisic acid. In: Li J, Li C, Smith SM, eds. Hormone Metabolism and Signaling in Plants. Cambridge, MA, USA: Academic Press, 161-202.

[3] Paik, I., Kathare, P.K., Kim, J.I., and Huq, E. (2017). Expanding roles of PIFs in signal integration from multiple processes. Mol. Plant 10:1035-1046.

[4] Ni, M., Tepperman, J.M., and Quail, P.H. (1998). PIF3, a phytochrome-interacting factor necessary for normal photoinduced signal transduction, is a novel basic helix-loop-helix protein. Cell 95:657-667.

[5] Ma, D., Li, X., Guo, Y., Chu, J., Fang, S., Yan, C., Noel, J.P., and Liu, H. (2016). Cryptochrome 1 interacts with PIF4 to regulate high temperature-mediated hypocotyl elongation in response to blue light. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 113:224-229.

[6] Pedmale, U.V., Huang, S.C., Zander, M., Cole, B.J., Hetzel, J., Ljung, K., Reis, P.A.B., Sridevi, P., Nito, K., Nery, J.R., Ecker, J.R., and Chory, J. (2016). Cryptochromes interact directly with PIFs to control plant growth in limiting blue light. Cell 164:233-245.

[7] Zhao, Y., Xing, L., Wang, X., Hou, Y., Gao, J., Wang, P., Duan, C., Zhu, X., and Zhu J.K. (2014). The ABA receptor PYL8 promotes lateral root growth by enhancing MYB77-dependent transcription of auxin-responsive genes. Sci. Signal. 7:ra53.

[8] Xing, L., Zhao, Y., Gao, J., Xiang, C., and Zhu, J.K. (2016). The ABA receptor PYL9 together with PYL8 plays an important role in regulating lateral root growth. Sci. Rep. 6:27177.