The Plant Journal | RGL1增强了植物对干旱胁迫的耐受性

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/tpj.16808

扫描二维码或者点击文末左下角“阅读原文”

近日，韩国科研团队在 The Plant Journal 上发表的研究论文深入探讨了拟南芥中RGL1（Rhamnogalacturonan lyase 1）酶作为E3泛素连接酶AtRZF1的抑制因子，在响应植物干旱胁迫中的关键作用。该研究揭示了 RGL1 在调节脯氨酸合成和果胶组成方面的分子机制，为理解植物如何通过调整细胞壁成分和代谢途径来适应环境胁迫提供了新的视角。此外，这项工作为农业生物技术领域提供了宝贵的信息，有助于未来培育出更具耐旱性的作物品种，对于提高作物产量和质量具有重要意义。

AtRZF1作为一种RING型E3泛素连接酶，在植物干旱胁迫响应中起到关键的负调控作用。研究表明， AtRZF1 的功能丧失突变体 atrzf1 比野生型植物具有更高的耐旱性，这主要是因为 AtRZF1 能够通过泛素依赖性途径影响脯氨酸的积累，而脯氨酸是植物在干旱胁迫下积累的一种关键渗透调节物质。

1. AtRZF1 的抑制突变体 pca31 影响了 RGL1 的表达

研究人员通过T-DNA标签诱变筛选，从 AtRZF1 突变体中鉴定到一个 pca31 突变体（脯氨酸含量降低31%）。 pca31 在早期幼苗生长阶段对干旱胁迫的敏感性降低，这表明它在 AtRZF1 对干旱胁迫反应中的负向调节作用上起到了抑制作用（图1）。通过热不对称交错PCR（TAIL-PCR）技术，研究人员发现 pca31 中的T-DNA插入到了木葡聚糖酶编码基因 RGL1 （At2g22620） 的启动子区域，导致 RGL1 基因表达水平的显著下调（图2）。

图1 pca31 突变体与 atrzf1 和野生型（WT）在干旱胁迫下的比较。(A, B) 拟南芥在干旱条件下的生长情况和复水后的恢复情况。(C) 干旱条件下的生存率。(D)干旱处理后脯氨酸（Pro）的积累情况。

图2 pca31 突变体基因组中 T-DNA 插入位点的鉴定。(A)  T-DNA 插入位点在2号染色体上的区域。(B) 通过 gDNA-PCR 进行了 T-DNA 与 pca31 的连锁分析。(C) 使用 RT-PCR 分析了 AtRZF1 基因在 WT、 atrzf1 和 pca31 幼苗中的表达。(D) 通过 qPCR 定量分析了 T-DNA 插入位点附近 At2g22620 和 At2g22630 基因的表达水平。(E) RGL1 蛋白的保守结构域。

2. RGL1 通过影响细胞壁组成和渗透响应干旱

RGL1是一种细胞壁酶，能够通过β-消除作用切割果胶的主链中的鼠李糖和半乳糖醛酸之间的糖苷键，从而影响细胞壁果胶的组成。研究人员分析了 atrzf1 和 pca31 突变体的细胞壁果胶含量和单糖组成，发现 pca31 的果胶和单糖含量与WT相似，都明显低于 atrzf1 ，表明 AtRZF1 可能正向调控这些单糖的合成和积累，而 pca31 突变体中 RGL1 基因表达的降低可能抑制了这种调控作用，导致单糖含量降低，影响了细胞壁的果胶组成（图5），这可能有助于维持细胞壁的柔韧性和完整性，从而帮助植物更好地应对水分缺乏的状况。

图5 野生型和突变体之间果胶和单糖组成的比较。(A) 分析了果胶含量。(B–H) 通过 GC-MS 测定了 3 周龄 WT、 atrzf1 和 pca31 幼苗不溶性物中单糖（阿拉伯糖、鼠李糖、岩藻糖、木糖、半乳糖、半乳糖醛酸和葡萄糖）的含量。

通过探究回补株系（Com9和Com16）与野生型、 atrzf1 和 pca31 株系在渗透胁迫下的根生长和子叶绿化情况，研究人员发现 RGL1 基因表达降低导致渗透胁迫敏感性增加，而其回补系使植物恢复到类似野生型的耐渗透压表型（图7）。此外， RGL1 过表达株系在渗透胁迫条件下的子叶绿化率较WT和 rgl1 RNAi株系更高、根生长更好（图9），这进一步证实了 RGL1 是渗透胁迫响应的 正调节因子 ，其表达水平的提升有助于植物抵抗渗透胁迫， RGL1 的调节作用对植物在渗透胁迫下的根生长和子叶绿化至关重要。

图7 渗透胁迫条件下的表型分析。(A–D) 分析了渗透胁迫对根生长和子叶绿化的影响。

图9 RGL1 转基因株系在渗透胁迫条件下的表型分析。(A–D) 分析了渗透胁迫对子叶绿化和根生长的影响。

3. RGL1 在植物逆境响应中扮演着关键角色

RGL1 在面对渗透胁迫、盐胁迫、ABA处理和氧化胁迫时表达水平上调，暗示其在植物逆境响应中可能扮演重要角色。通过亚细胞定位分析，RGL1-GFP融合蛋白主要在细胞壁中检测到，同时也在细胞质中有较弱的表达，特别是在质壁分离的根细胞中，RGL1-GFP的荧光信号在细胞壁和细胞质中均可观察到（图8）。这些发现表明 RGL1 可能直接参与细胞壁的生物合成和逆境下的调节过程。

图8 RGL1 基因在拟南芥中的表达模式和亚细胞定位。(A–D) 通过 qPCR 分析了 RGL1 在响应 ABA 和非生物胁迫（渗透胁迫、盐胁迫和氧化胁迫）下的表达水平。(E)  RGL1-GFP 融合蛋白在转基因植物细胞壁中的亚细胞定位。(F) 经渗透胁迫处理后发生质壁分离的根细胞中 RGL1-GFP 的亚细胞定位。

本研究阐释了拟南芥中 RGL1 基因作为E3泛素连接酶AtRZF1的抑制子，在干旱胁迫下发挥作用的分子机制。研究人员通过T-DNA标签诱变筛选策略成功鉴定出 RGL1 基因，并揭示了它在调控细胞壁果胶组成和脯氨酸积累中的关键作用，这对植物的渗透胁迫反应至关重要。RNA测序分析进一步展示了 RGL1 与 AtRZF1 在调控渗透胁迫响应中的交互作用，明确了 RGL1 在植物干旱胁迫响应中的正向调控功能。本研究不仅丰富了我们对植物适应非生物胁迫分子机制的认识，而且为农业生物技术改良作物耐旱性提供了新的见解。

期刊介绍