分子植物卓越中心發(fā)現(xiàn)玉米胚乳灌漿起始期ABA信號誘導的磷酸化機制

　　2月14日，The Plant Cell在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究組題為ABA-induced Phosphorylation of basic Leucine Zipper 29, ABSCISIC ACID INSENSITIVE 19 and Opaque2 by SnRK2.2 Enhances Gene Transactivation for Endosperm Filling in Maize的研究論文。該團隊去年發(fā)現(xiàn)了第一個調(diào)控玉米灌漿起始的核心轉(zhuǎn)錄因子ZmABI19（Yang, et al., Plant Cell, 2021）。在此基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)了調(diào)控該過程的第二個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子ZmbZIP29，并闡明了ABA信號對玉米胚乳灌漿的生物學功能。

 

　　在ZmABI19的工作中，他們發(fā)現(xiàn)ZmABI19直接調(diào)控胚乳灌漿核心轉(zhuǎn)錄因子O2，以及其他多個胚乳特異表達的灌漿調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子（Pbf1, ZmbZIP22, O11, NAC130等），胚乳基底轉(zhuǎn)運層定位的糖轉(zhuǎn)運蛋白基因SWEET4c。另外，ZmABI19還直接調(diào)控胚發(fā)育與盾片儲藏物質(zhì)合成的核心轉(zhuǎn)錄因子Vp1以及多個植物激素相關(guān)因子。以上研究表明ZmABI19是協(xié)同籽粒早期發(fā)育與灌漿起始的核心轉(zhuǎn)錄因子。然而，灌漿起始調(diào)控還有哪些因子參與以及受到哪些信號調(diào)控還很不清楚。

 

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)灌漿起始時，胚乳中ABA激素含量迅速上升。體外培養(yǎng)野生型胚乳時，適量ABA會促進O2表達。同時他們發(fā)現(xiàn)，ABA也可增強ZmABI19對O2的轉(zhuǎn)錄激活。然而，當把zmabi19突變體胚乳用ABA處理后，發(fā)現(xiàn)O2仍然可以響應ABA信號，說明除了ZmABI19，還存在其他能響應ABA信號的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控O2表達。前期研究發(fā)現(xiàn)O2啟動子起始密碼子上游400-500 bp為O2轉(zhuǎn)錄活性的關(guān)鍵區(qū)域。在該區(qū)域中除了ZmABI19識別的兩個RY元件外，存在一個響應ABA信號的ABRE元件。ABRE元件可被bZIP家族的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。玉米基因組有128個bZIP轉(zhuǎn)錄因子，其中83個bZIP轉(zhuǎn)錄因子可在種子中表達。通過公共數(shù)據(jù)庫中的RNA-seq數(shù)據(jù)進行共表達分析，發(fā)現(xiàn)只有ZmbZIP29的表達模式與ZmABI19高度一致，因此該轉(zhuǎn)錄因子被選為候選研究對象。

 

　　通過一系列分子與生化實驗，研究人員證實了ZmbZIP29可識別并激活O2表達。ZmbZIP29與ZmABI19蛋白互作并協(xié)同增強O2表達。ABA可進一步增強其協(xié)同激活能力，說明ZmbZIP29和ZmABI19均是響應ABA信號的胚乳灌漿起始重要轉(zhuǎn)錄因子。類似zmabi19突變體，ZmbZIP29突變后O2表達水平以及儲藏蛋白含量明顯下降。相比zmbzip29和zmabi19突變體，zmbzip29;zmabi19雙突變體籽粒缺陷更為嚴重，蛋白含量下降更多。此外，在胚乳灌漿期過表達ZmbZIP29和ZmABI19可增加籽粒蛋白含量和百粒重。

 

　　那么，ABA是如何增強ZmbZIP29和ZmABI19的轉(zhuǎn)錄激活能力的呢？研究人員發(fā)現(xiàn)蛋白激酶SnRK2.2可以與這兩個轉(zhuǎn)錄因子互作，ABA能通過SnRK2.2對ZmbZIP29和ZmABI19進行磷酸化，進而增強了它們的轉(zhuǎn)錄激活能力，同時他們發(fā)現(xiàn)ABA也可以誘導SnRK2.2磷酸化O2轉(zhuǎn)錄因子本身，從而促進O2對自身以及下游基因的轉(zhuǎn)錄激活能力。通過液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，研究人員發(fā)現(xiàn)ZmbZIP29的T75、ZmABI19的T57和O2的T387受到了SnRK2.2的磷酸化修飾。

 

　　該研究闡明了ABA信號促進籽粒灌漿的分子機理，即通過SnRK2.2磷酸化兩個關(guān)鍵灌漿起始因子ZmbZIP29和ZmABI19以及灌漿核心調(diào)控因子O2，啟動和促進灌漿進程。

 

　　相關(guān)研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和國家自然科學基金項目的資助。