武汉大学吕应堂团队解析植物平衡生长和胁迫响应新机制
来源 | Mol Plant植物
植物在长期进化过程中产生了复杂且精密的机制以协调自身生长发育与胁迫应答之间的平衡。通常情况下，在没有胁迫时，植物快速生长；然而在受到生物或非生物胁迫时，植物会限制自身生长并启动逆境应答。生长素IAA和脱落酸ABA分别在调控植物生长发育和胁迫抗性中发挥重要作用，然而，植物平衡IAA和ABA稳态以协调生长和非生物胁迫响应的分子机制还有待深入研究。
2022年4月28日，武汉大学生命科学学院/杂交水稻国家重点实验室吕应堂教授团队在Molecular Plant在线发表了的研究论文”Coordination of plant growth and abiotic stress responses by Tryptophan Synthase β Subunit1 through modulating tryptophan and ABA homeostasis in Arabidopsis”，发现了拟南芥色氨酸合成酶β亚基TSB1在平衡生长素IAA和脱落酸ABA稳态从而调节植物生长和胁迫应答过程中发挥重要作用。
在该团队前期研究中，作者曾发现TSB1通过调节色氨酸合成而改变生长素含量，进而在植物免疫应答过程中发挥作用 (Yuan et al., 2017)。但是在后期的RNA-seq实验中却意外发现，TSB1表达量降低的amiR-TSB1株系中与生长发育相关的基因表达被显著抑制，但与非生物胁迫应答相关的基因却被大量激活，作者推测TSB1可能在植物非生物胁迫应答中也发挥功能。
作者发现干旱和盐胁迫能显著降低TSB1的表达，导致色氨酸和生长素IAA含量下降。然而，相较于野生型，amiR-TSB1株系或TSB1功能缺失突变体trp2生长滞后，但逆境激素脱落酸ABA含量升高、干旱和盐胁迫抗性较强。通过酵母文库筛选，作者发现TSB1能够与ABA-GE水解酶BG1相互作用。进一步实验表明TSB1通过该互作抑制BG1活性而减少游离态ABA (active) 从结合态ABA-GE (inactive) 中的释放，从而调节植物在正常生长和胁迫下的ABA稳态。此外，研究还发现，干旱或盐胁迫下植物产生的大量H2O2能够次磺酸化修饰TSB1蛋白的第308位半胱氨酸，一方面抑制TSB1的色氨酸合成酶活性，降低色氨酸和IAA含量；另一方面减弱TSB1与BG1的相互作用而解除对BG1的抑制，从而提高逆境下ABA的积累和胁迫应答。
图1. TSB1平衡植物生长和非生物胁迫应答的模式图
综上所述，该研究发现，在正常情况下，TSB1表达和活性较高，合成大量色氨酸用于促进植物生长，并通过与BG1互作降低逆境激素ABA的积累，从而抑制植物的非生物胁迫应答；在受到干旱或高盐等非生物胁迫刺激时，植物通过下调TSB1表达和氧化修饰TSB1蛋白一方面降低色氨酸含量以减缓自身生长，另一方面通过释放BG1活性促进ABA的大量积累，从而提高其胁迫抗性。
河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室青年教师刘文成为论文第一作者，武汉大学生命科学学院吕应堂教授为论文通讯作者。河南大学宋纯鹏教授和兰州大学郭光沁教授为该研究提供了帮助。这项工作得到了国家自然科学基金的支持。