分子植物卓越中心发现玉米胚乳灌浆起始期ABA信号诱导的磷酸化机制

2月14日，The Plant Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究组题为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的研究论文。该团队去年发现了第一个调控玉米灌浆起始的核心转录因子ZmABI19（Yang, et al., Plant Cell, 2021）。在此基础上，研究人员发现了调控该过程的第二个关键转录因子ZmbZIP29，并阐明了ABA信号对玉米胚乳灌浆的生物学功能。
 
　　在ZmABI19的工作中，他们发现ZmABI19直接调控胚乳灌浆核心转录因子O2，以及其他多个胚乳特异表达的灌浆调控转录因子（Pbf1, ZmbZIP22, O11, NAC130等），胚乳基底转运层定位的糖转运蛋白基因SWEET4c。另外，ZmABI19还直接调控胚发育与盾片储藏物质合成的核心转录因子Vp1以及多个植物激素相关因子。以上研究表明ZmABI19是协同籽粒早期发育与灌浆起始的核心转录因子。然而，灌浆起始调控还有哪些因子参与以及受到哪些信号调控还很不清楚。
 
　　研究团队发现灌浆起始时，胚乳中ABA激素含量迅速上升。体外培养野生型胚乳时，适量ABA会促进O2表达。同时他们发现，ABA也可增强ZmABI19对O2的转录激活。然而，当把zmabi19突变体胚乳用ABA处理后，发现O2仍然可以响应ABA信号，说明除了ZmABI19，还存在其他能响应ABA信号的转录因子调控O2表达。前期研究发现O2启动子起始密码子上游400-500 bp为O2转录活性的关键区域。在该区域中除了ZmABI19识别的两个RY元件外，存在一个响应ABA信号的ABRE元件。ABRE元件可被bZIP家族的转录因子结合。玉米基因组有128个bZIP转录因子，其中83个bZIP转录因子可在种子中表达。通过公共数据库中的RNA-seq数据进行共表达分析，发现只有ZmbZIP29的表达模式与ZmABI19高度一致，因此该转录因子被选为候选研究对象。
 
　　通过一系列分子与生化实验，研究人员证实了ZmbZIP29可识别并激活O2表达。ZmbZIP29与ZmABI19蛋白互作并协同增强O2表达。ABA可进一步增强其协同激活能力，说明ZmbZIP29和ZmABI19均是响应ABA信号的胚乳灌浆起始重要转录因子。类似zmabi19突变体，ZmbZIP29突变后O2表达水平以及储藏蛋白含量明显下降。相比zmbzip29和zmabi19突变体，zmbzip29;zmabi19双突变体籽粒缺陷更为严重，蛋白含量下降更多。此外，在胚乳灌浆期过表达ZmbZIP29和ZmABI19可增加籽粒蛋白含量和百粒重。
 
　　那么，ABA是如何增强ZmbZIP29和ZmABI19的转录激活能力的呢？研究人员发现蛋白激酶SnRK2.2可以与这两个转录因子互作，ABA能通过SnRK2.2对ZmbZIP29和ZmABI19进行磷酸化，进而增强了它们的转录激活能力，同时他们发现ABA也可以诱导SnRK2.2磷酸化O2转录因子本身，从而促进O2对自身以及下游基因的转录激活能力。通过液相色谱-质谱联用分析，研究人员发现ZmbZIP29的T75、ZmABI19的T57和O2的T387受到了SnRK2.2的磷酸化修饰。
 
　　该研究阐明了ABA信号促进籽粒灌浆的分子机理，即通过SnRK2.2磷酸化两个关键灌浆起始因子ZmbZIP29和ZmABI19以及灌浆核心调控因子O2，启动和促进灌浆进程。
 
　　相关研究工作得到了中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目的资助。
 

 
　　ABA通过SnRK2.2磷酸化两个关键灌浆起始因子ZmbZIP29和ZmABI19以及灌浆核心调控因子O2，启动和促进灌浆进程模式图



日期：2022-02-18