PNAS | ABA调控植物次生细胞壁形成的机制，激酶SnRK2磷酸化修饰NST1

BioArt植物 · 公众号 · · 2021-01-30 17:32

正文

撰文 | Sky

责编 | 王一

植物细胞被封闭在细胞壁中，进行伸长的细胞具有薄的主壁，主要由纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）和果胶（pectin）组成【1】。某些特定类型的细胞在停止延伸后会沉积较厚的次生细胞壁（secondary cell walls, SCWs），从而赋予这些细胞以独特的功能，例如机械支持、水和养分的长距离传导、对生物胁迫的抵抗力、荚果的脱落和花粉的释放等【2】。SCWs主要由纤维素，木质素（ lignin）和半纤维素组成【3】。增厚的SCWs的形成受到分级转录网络的严格调控【4】。在此调控网络中，包含NAC结构域的转录因子（ transcription factors, TFs）在上游发挥作用，可以调节下游多个TFs，进而调节SCWs沉积的合成基因【5】。但是，参与调控第一层TFs的上游信号仍然未知。

SCWs沉积的过程受多种外源性（光周期和温度）和内源性（植物激素）因素的调控。在辐射松和樟子松中，晚材的形成与植物激素脱落酸（abscisic acid, ABA）浓度的增加有关【6, 7】。在拟南芥中，ABA处理导致与SCW相关NACs的表达上调【8】，表明ABA参与调控SCWs的形成，但其确切的分子机制仍不清楚。

近日，美国北德克萨斯大学（University of North Texas） Richard A. Dixon 团队在 PNAS 发表了题为 Abscisic acid regulates secondary cell-wall formation and lignin deposition in Arabidopsis thaliana through phosphorylation of NST1 的研究论文。该研究发现激酶SnRK2通过磷酸化修饰NST1来调控次级细胞壁的形成，由此揭示了ABA 调控次级细胞壁形成的机制。

拟南芥 ABA2 编码一个短链脱氢酶。 ABA2 功能丧失会导致植物和种子发育各个阶段的内源ABA水平降低。SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6是ABA信号途径的正调控因子， snrk2.2/3/6 三突变体对ABA不敏感。为研究ABA的含量和ABA信号转导的变化是否影响SCWs沉积和木质化，作者首先测定了 aba2-1 和 snrk2.2/3/6 中的木质素含量。在 aba2-1 突变体的木质部导管和纤维中，SCWs沉积和木质化发生了轻微的改变；而在 snrk2.2/3/6 中，SCWs沉积和木质化表现出严重的缺陷。为分析 aba2-1 和 snrk2.2/3/6 中SCWs组分变化的原因，作者测定了花序茎中木质素和纤维素的总含量。与WT相比， aba2-1 和 snrk2.2/3/6 中的木质素和纤维素含量显著降低，并且 snrk2.2/3/6 中的总木质素和纤维素含量低于 aba2-1 。因此，ABA的生物合成或ABA信号转导的破坏可导致SCWs沉积和组成的改变。

那么，ABA的合成或信号转导是如何调控SCWs沉积的？为回答这个问题，作者检测了 aba2-1 和 snrk2.2/3/6 中SCW相关基因的转录水平。结果表明，与WT相比，所选的13个基因的表达量在 aba2-1 和 snrk2.2/3/6 中都显著地降低。 NCED 表达是ABA累积的主要决定因素，而 NCED 的过表达会导致ABA水平升高。在 NCED6-OX 和 NCED9-OX 株系中，导管和纤维细胞中的SCWs没有明显变化。然而，所检测的13个基因在 NCED6-OX 和 NCED9-OX 中均上调表达。在 snrk2.2 /3/6 中，SCWs基因转录水平与表型之间的不一致，表明转录后修饰可能参与调控ABA介导的SCWs沉积。

为确定是否存在SnRK2的底物与SCWs的形成相关，作者以 SnRK2.6为靶蛋白进行了酵母双杂交筛选。在阳性克隆中，NAC转录因子家族的一员，NAC SECONDARY WALL THICKENING PROMOTING FACTOR 1 （NST1）引起了作者的兴趣。经验证，NST1与SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6在细胞核中相互作用。基于PhosPhAt数据库的分析，发现NST1包含以Ser-316为磷酸化位点的磷酸化肽段 ([pS]PYPSLNR) 。体外的激酶实验也证明，SnRK2.2/3/6可以在Ser-316磷酸化修饰NST1。

进一步的，为确定NST1的磷酸化是否影响SCWs的增厚，作者在 nst1/snd1 双突变体的背景下构建了由自身启动子驱动的NST1或NST1 （S316A）的转基因植株。表型观察发现，与WT或 snd1 单突变体相比， nst1/snd1 展现出下垂茎的表型；pNST1：NST1 nst1/snd1 可以恢复双突变体的表型至正常水平，而pNST1：NST1 （S316A） nst1/snd1 仍然展现出下垂茎的表型。这表明，NST1的磷酸化正调控拟南芥中纤维细胞中SCWs的增厚。

已有的研究表明，NST1通过结合 MYB46 和 MYB83 的启动子来激活它们的表达。因此，作者利用双荧光素酶报告基因系统检测了NST1的磷酸化是否影响其激活能力。结果显示，NST1可以激活 MYB46 和 MYB83 的表达，而S316A对 MYB46 和 MYB83 的激活分别降低了约75％和60％。体内的数据表明，NST1在WT的原生质体中对两个靶基因的激活能力显著高于在 snrk2.2/3/6

PNAS | ABA调控植物次生细胞壁形成的机制，激酶SnRK2磷酸化修饰NST1

正文

请到「今天看啥」查看全文