中國農大李繼剛課題組
揭示ABA信號的負反饋調控機制
近日，New Phytologist在線發表了中國農業大學生物學院植物生理學與生物化學國家重點實驗室李繼剛課題組題為“ABRE-binding factors play a role in the feedback regulation of ABA signaling by mediating rapid ABA induction of ABA co-receptor genes”的研究論文。該論文揭示了ABA信號通路的重要轉錄因子—ABRE-binding factors (ABFs)直接結合ABA共受體—A類PP2C基因的啟動子，介導ABA對A類PP2C基因表達的誘導，從而在ABA信號的負反饋調控中扮演重要的角色；此外，該論文還發現了ABA對ABFs的另一層調控機制—通過顯著誘導ABFs基因的表達和蛋白積累，從而迅速放大ABA信號。
圖1. ABFs直接結合A類PP2C基因的啟動子，介導ABA對A類PP2C基因表達的誘導，從而在ABA信號的負反饋調控中扮演重要的角色
植物激素脫落酸 (abscisic acid, ABA) 在植物的整個生命週期中都起重要的調控作用，尤其在植物應對逆境脅迫時扮演重要的角色。在過去二十多年中，人們對ABA信號轉導的分子機制進行了廣泛和深入的研究，鑑定了ABA受體—PYR/PYL/RCAR蛋白(擬南芥中有14個)和共受體—A類PP2C蛋白(擬南芥中有9個)。A類PP2C是ABA信號的負調控因子，在無ABA時，A類PP2C和SnRK2類蛋白激酶相互作用，抑制SnRK2的激酶活性，ABA信號通路因而被阻斷；當有ABA時，PYR/PYL/RCAR蛋白結合ABA，然後和A類PP2C形成複合體，解除A類PP2C對SnRK2的抑制，從而SnRK2可以磷酸化其底物(比如ABFs類轉錄因子)，將ABA信號傳遞下去。有趣的是，在先前的研究中多次報道了ABA可以顯著誘導個別A類PP2C基因的表達，但是其分子調控機制和生物學意義並不清楚。
在該研究中，李繼剛課題組從最早發現的A類PP2C—ABI1和ABI2入手，首先利用ABI1和ABI2的特異抗體證實了內源ABI1和ABI2蛋白水平確實顯著受ABA誘導，並且是通過新蛋白大量合成(即基因表達顯著升高)引起。將不同長度的ABI1和ABI2啟動子片段分別驅動報告基因GUS表達並分別獲得純合轉基因擬南芥株系，對其進行組織化學染色和GUS基因表達的定量分析，最終確定了ABI1和ABI2啟動子上響應ABA信號的片段。通過酵母單雜交實驗，證明了ABA信號通路的重要轉錄因子—ABFs可以結合這些啟動子區域的ACE元件(核心序列為ACGT)；通過ChIP實驗，證實了ABFs可以在體內結合A類PP2C基因的啟動子，並且其結合能力在ABA處理後顯著增強。隨後，利用abfs多突變體材料，進一步證實了ABFs確實介導ABA對A類PP2C基因表達以及對ABI1和ABI2蛋白水平的誘導。
先前的研究表明，ABA可以誘導SnRK2磷酸化ABFs，這是先前理解的ABA激活ABFs的主要調控機制。在該研究中，李繼剛課題組利用ABF1—ABF4的特異抗體，發現ABA可以顯著誘導ABFs的蛋白積累；進一步的研究表明，該調控也是ABA通過顯著誘導ABFs的基因表達實現的，並且該調控過程也由ABFs直接介導。因此，該研究發現了ABA對ABFs的另一層調控機制，即通過顯著誘導ABFs的基因表達和蛋白水平，迅速放大ABA信號。
幾十年前人們就發現，在乾旱脅迫時植物會抑制地上部分的生長，將有限的資源提供給根，使根能夠繼續生長，以便伸入土壤深層獲取更多的水分；隨後的研究證實，植物在乾旱脅迫時對地上部分和根的差異調控是通過ABA信號實現的。在該研究中，李繼剛課題組通過對ABI1p:GUS和ABI2p:GUS的組織化學染色，發現ABA顯著誘導ABI1和ABI2基因在根部和氣孔中的表達。這就部分解釋了ABA強烈誘導A類PP2C這類ABA信號負調控因子的生物學意義：在根中強烈誘導A類PP2C會削弱根中的ABA信號，從而減輕ABA對根生長的抑制，使其能夠伸入土壤深層獲得更多的水分。
中國農業大學生物學院博士研究生王曉吉 為該論文的第一作者，李繼剛教授為通訊作者，中國農業大學生物學院鞏志忠教授和楊淑華教授也合作參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金和青年千人計劃的經費支持。
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