華中農(nóng)業(yè)大學柑橘抗逆團隊解析非生物逆境下多胺積累的分子調(diào)控機制

 

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室劉繼紅教授團隊在New Phytologist上發(fā)表了題為“SnRK2.4-mediated phosphorylation of ABF2 regulates ARGININE DECARBOXYLASE expression and putrescine accumulation under drought stress”的研究論文。該研究在已有研究的基礎上，進一步揭示了干旱脅迫響應分子模塊SnRK2.4-ABF2-ADC調(diào)控腐胺合成應答干旱的功能和分子機制。

 

　　精氨酸脫羧酶（ADC）介導的腐胺生物合成在植物非生物脅迫響應中起著至關(guān)重要的作用。SnRK2（SNF1-related protein kinases 2s）和ABF（ABA-response element （ABRE） binding factors）是ABA信號通路中參與干旱脅迫響應的核心組成部分。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，枳（Poncirus trifoliata）PtrADC在干旱脅迫下發(fā)揮正調(diào)控作用。然而，SnRK2和ABF是否以及如何調(diào)控PtrADC來調(diào)節(jié)干旱脅迫下腐胺積累的機制尚不清楚。

 

　　課題組以PtrADC為誘餌開展酵母單雜交篩選文庫，獲得了一個轉(zhuǎn)錄因子PtrABF2，并通過Y1H、EMSA、CHIP-PCR和LUC等實驗驗證了PtrABF2能特異性結(jié)合PtrADC啟動子上的ABRE元件并激活該基因表達，隨后通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)表明PtrABF2通過調(diào)控PtrADC表達和腐胺合成積累從而增強枳抗旱性。研究人員進一步鑒定到PtrSnRK2家族成員PtrSnRK2.4受ABA強烈誘導，發(fā)現(xiàn)PtrSnRK2.4可以與PtrABF2互作并磷酸化PtrABF2，質(zhì)譜分析表明磷酸化位點位于第93號絲氨酸位點（Ser93）。利用雙熒光素酶、凝膠遷移、轉(zhuǎn)錄激活等實驗分析表明PtrABF2對其靶基因PtrADC啟動子的轉(zhuǎn)錄結(jié)合能力依賴于PtrSnRK2.4的磷酸化修飾。隨后通過轉(zhuǎn)基因和生理表型研究，證明PtrSnRK2.4正調(diào)控枳抗旱性，且該過程與多胺的合成緊密相關(guān)。

 

　　綜上所述，該研究提出了SnRK2.4-ABF2-ADC模塊調(diào)控枳干旱誘導腐胺合成與積累的分子模塊，闡述了PtrABF2在干旱脅迫下的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，以及上游蛋白激酶PtrSnRK2.4磷酸化PtrABF2介導植物腐胺合成與積累過程中的重要作用。研究建立了SnRK2.4-ABF2-ADC模塊與多胺合成的聯(lián)系，從而闡明了干旱誘導ADC表達和腐胺積累的分子生物學基礎，解析了該生理現(xiàn)象的信號通路和分子機制，同時也豐富了干旱誘導植物代謝改變的理論研究。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院劉繼紅教授為該論文通訊作者，已畢業(yè)博士生宋杰為該論文第一作者，李春龍教授和安徽農(nóng)業(yè)大學孫培培老師也參與了研究工作。該研究依托華中農(nóng)業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室平臺，受到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Arginine decarboxylase （ADC）-mediated putrescine （Put） biosynthesis plays an important role in plant abiotic stress response. SnRK2 （SNF1-related protein kinases 2） and ABF （ABA-response element binding factors） are core components of ABA signaling pathway involved in drought stress response. We previously reported that ADC of Poncirus trifoliata （PtrADC） functions in drought tolerance. However, whether and how SnRK2 and ABF regulate PtrADC to modulate putrescine accumulation under drought stress remains largely unclear.

 

　　Herein, we employed a set of physiological, biochemical, and molecular approaches to reveal that a protein complex composed of PtrSnRK2.4 and PtrABF2 modulates putrescine biosynthesis and drought tolerance by directly regulating PtrADC.

 

　　PtrABF2 was up-regulated by dehydration in an ABA-dependent manner. PtrABF2 activated PtrADC by directly binding to its promoter and positively regulated drought tolerance via modulating putrescine accumulation. PtrSnRK2.4 interacts with and phosphorylates PtrABF2 at Ser93. PtrSnRK2.4-mediated PtrABF2 phosphorylation is essential for its transcriptional regulation of PtrADC. Besides, PtrSnRK2.4 was shown to play a positive role in drought tolerance and putrescine synthesis.

 

　　Taken together, this study sheds new light on the regulatory module SnRK2.4-ABF2-ADC responsible for fine-tuning putrescine accumulation under drought stress, which advances our understanding on transcriptional regulation of putrescine synthesis and plant drought resistance mechanism.

 

　　論文鏈接： https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18526