利用工程设计的脱落酸受体控制植物用水

时间  2021-01-06 标签 工程设计 脱落酸受体 植物用水

利用工程设计的脱落酸受体控制植物用水

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文献导读

时至今日，全球气温变暖和淡水资源的贫乏严重制约了农业生产。因此开发出节水型作物，进而提高农业用水利用率，具有非常重要的现实作用。ABA是一种植物激素,在水缺乏时，其受体感受到ABA信号通过控制叶片气孔的闭合，减少植物的蒸腾作用流失的水分，可以提高作物的耐逆性。作者认为可以通过改造ABA的受体，使其感受到农用化学品如双炔酰菌胺（广泛用于防治大多数卵菌纲病害）时，启动ABA信号途径，可以有效提高水的利用效率。

文献介绍

  • 英文标题：Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors
  • 中文标题：利用工程设计的脱落酸受体控制植物用水
  • 期刊：Nature
  • IF: 41.577
  • 作者：Sean R. Cutler, University of California
  • 研究方向：调节拟南芥细胞扩增的分子机制和ABA信号转导途径
  • doi:10.1038/nature14123

摘要

在缺水时，植物激素ABA可以通过控制叶片气孔的开度来减少水分的蒸发，提高水的利用效率。因此改造ABA受体PYR1使其感受农用双炔酰菌胺激活ABA信号途径可以提高植物的耐旱性。PYR1是ABA的一种受体，作者通过饱和突变的方法获得一个六突突变体PYR1MANDI可以响应纳摩尔级别的双炔酰菌胺，耐旱性显著提高。这种策略同样可以应用于其他植物受体，并为作物改良提供新的途径。

研究背景

植物ABA受体首先感知ABA并与磷酸酶PP2C互作，进而解除PP2C对下游的SnRK2激酶的抑制作用。SnRK2激活下游的与ABA信号相关的转录因子的表达，其中包括直接调控气孔开闭的基因SAC1。因此改造ABA受体使其感知农用化学品并启动ABA信号途径可以优化水资源的利用。

结果分析

1. PYR1(ABA受体)突变体的创制

PYR1是ABA信号其中一个受体，作者通过饱和突变PYR1的方式获得了7125种突变体，用双炔酰菌胺（mandipropamid）对这些突变体进行筛选，发现一个六突突变体PYR1MANDI可以响应纳摩尔级别的mandipropamid，进而激活ABA途径关闭气孔，减少水分的蒸发。image

图1. PYR1MANDI可以响应纳摩尔级的mandipropamid

2. PYR1MANDI蛋白空间构象发生变化

为了进一步探究改造后的ABA受体响应双炔酰菌胺（mandipropamid）的分子机理，作者对PYR1的一个四突PYR1(K59R/V81I/F108A/F159L)（四突比六突晶体构象更清晰）蛋白空间构象进行分析，发现相比野生型PYR1，其中一个显著的变化就是在四突突变体中，识别结合位置空间明显增加。image

图2. PYR1的一个四突突变体晶体构象与野生型的比较

3. 利用RNA-seq比较野生型与35S::PYR1MANDI转基因植株响应ABA和mandipropamid之间转录组之间差异

首先作者用ABA、mandipropamid分别处理野生型和35S::PYR1MANDI转基因植株，mandipropamid 处理野生型不会引起显著的ABA诱导的反应（图3a），而mandipropamid 处理35S::PYR1MANDI转基因植株则会引起类似的ABA处理野生型的反应（图3b）。此外，作者用ABA分别处理野生型和35S::PYR1MANDI转基因植株，两者之间的反应高度类似（图3c），这表明转入PYR1MANDI并不会影响ABA其他的受体对外源ABA的响应。为了排除转基因的过程是否会对植株转录产生影响，作者同时比较了野生型和35S::PYR1MANDI转基因植株之间的转录，发现两者几乎没有差异（图3d），这说明转基因过程对植株转录没有影响。
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图3. Mandipropamid在PYR1MANDI基因型中选择性地诱导ABA类似的转录反应

4. mandipropamid处理35S::PYR1MANDI转基因植株可以显著提高其耐旱性

农业化学控制PYR1MANDI基因型的蒸腾和耐旱性

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图4. mandipropamid控制PYR1MANDI基因型的蒸腾和耐旱性

植物激素ABA一个重要的功能就是可以诱导植物在水缺乏时关闭气孔，减少水分的蒸发，这个过程也会伴随着植物表面温度的升高。作者通过检测叶片表面温度变化来反映气孔的开闭。与对照相比，mandipropamid处理35S::PYR1MANDI转基因植株叶片表面温度显著升高，表明其气孔已经关闭（图4a,b）。接着作者分别用野生型与35S::PYR1MANDI转基因植株进行干旱处理，35S::PYR1MANDI转基因植株耐旱性明显提高。

创新点

植物的生长发育与耐逆性的提高就像天平的两端，提高植物的耐逆性必然是以牺牲生长发育作为代价才能实现。作者在本篇文章中给我们介绍一种全新的既可以提高植物耐旱性，又不影响其生长发育的思路。通过改造植物激素ABA受体PYR1，使其响应mandipropamid提高其耐旱性，又可以显著降低生产应用的成本，可谓一举两得。

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