脫落酸（abscisic acid, ABA）在響應(yīng)生物及非生物脅迫和調(diào)控植物生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用。ABA功能的發(fā)揮是通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來實現(xiàn)的。ABA信號通路主要包括ABA受體PYR/PYL/RCAR、PP2C和SnRK2 3類核心組分。在ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,ABA受體PYLs作為ABA信號通路上游調(diào)控因子,首先感受ABA信號;然后,通過抑制PP2C磷酸酶活性進而激活SnRK2,促進下游基因表達,開啟ABA信號通路,調(diào)控植物耐逆或生長發(fā)育。本研究主要對ABA信號通路,特別是PYLs蛋白的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)及功能等方面進行了評述,并以棉花為例,對如何深化棉花PYLs蛋白功能研究作了展望。 

【文章來源】：分子植物育種. 2020,18(20)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路模型(Park et al.,2009;Zhao et al.,2014;Zhao et al.,2018)

PYLs可與ABA結(jié)合，那么其是否依賴ABA發(fā)揮對PP2C的抑制作用呢？研究發(fā)現(xiàn)這與PYLs的寡聚狀態(tài)息息相關(guān)。已知At PYL1-3和At PYR1依賴ABA抑制PP2C的活性。但是，在ABA缺失的情況下At PYL4-6、At PYL8-10和At PYL13依舊發(fā)揮對PP2C的抑制作用(Hao et al.,2011;Li et al.,2013)。而At PYL4-10(除At PYL7外)均以單體形式存在，PYR1、PYL1-2以二聚體形態(tài)存在，PYL3則具有單體和二聚體兩種存在形式(Santiago et al.,2009a;Hao et al.,2011;Zhang et al.,2012)。這似乎存在著一種規(guī)律，即單體的PYL可以不依賴ABA而抑制PP2C的活性，而二聚體形態(tài)的PYL在ABA存在時才能發(fā)揮對PP2C的抑制作用。為了探究其中的機理，Zhang等(2012)以具有兩種存在形式的PYL3為對象研究PYLs的寡聚狀態(tài)對其與PP2C互作的影響。結(jié)果表明，PYL3處于開放狀態(tài)以及ABA結(jié)合狀態(tài)時，存在兩處明顯的結(jié)構(gòu)差異，一是ABA結(jié)合口袋入口側(cè)面的環(huán)發(fā)生變化；二是C端的α螺旋發(fā)生變化(Melcher et al.,2009;Yin et al.,2009)。當(dāng)ABA與PYL3結(jié)合之后，PYL3的P112 (位于CL2處)會向配體結(jié)合口袋移動(PYR1 P88;PYL1 P115;PYL2 P92)，與此同時PYL3的S109 (位于CL2處)會從空腔內(nèi)向外翻轉(zhuǎn)(PYR1 S85;PYL1 S112;PYL2 S89)，二者相互作用來關(guān)閉配體結(jié)合口袋的“門”；除此之外，PYL3配體結(jié)合口袋內(nèi)的H139的咪唑基(PYR1 H115;PYL1 H142;PYL2 H119)通過范德華力與ABA的環(huán)己烯基互作鎖住關(guān)閉的“門”環(huán)；最后，C端的α螺旋通過向ABA移動以穩(wěn)定配體與受體的結(jié)合。這些構(gòu)象的改變不但穩(wěn)定了ABA與PYL3的結(jié)合，而且創(chuàng)造了一個有利于PP2Cs結(jié)合的新表面，PP2Cs會通過鎖住“門”與“閂”來加入ABA-PYL的閉合構(gòu)象從而構(gòu)成三元復(fù)合體(Zhang et al.,2015)。與PP2C結(jié)合后，PYL3暴露在外面的S109與PP2C的谷氨酸殘基形成氫鍵，影響了PP2C與金屬離子(Mg,Mn)的結(jié)合，從而抑制PP2C的活性，除此之外S109還能通過氫鍵與PP2C的甘氨酸結(jié)合，阻礙底物蛋白進入PP2C的催化活性中心，從而抑制PP2C活性。以上所述的構(gòu)象改變僅僅發(fā)生在PYL單體上，但是酵母雙雜交實驗顯示單體的PYL與PP2Cs的結(jié)合能力很強，也可以不依賴ABA而與PP2Cs結(jié)合(Pizzio et al.,2013)。而二聚體形態(tài)的PYL與PP2Cs的結(jié)合能力較弱，必須在ABA存在時才能與其結(jié)合(Hao et al.,2011)。那么ABA又是怎樣介導(dǎo)二聚體PYLs與PP2Cs互作的?Zhang等(2012)發(fā)現(xiàn)ABA的結(jié)合可能會影響PYLs的二聚體界面和兩個單體的相對方向，而且結(jié)合ABA可以使二聚體形式的PYL3解聚為單體形式以便于和ABA與PP2Cs結(jié)合。Zhang等(2015)發(fā)現(xiàn)具有順式同型二聚體結(jié)構(gòu)的PYL3與ABA結(jié)合時，PYL3通過其中一個單體的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為反式同型二聚體，與順式同型二聚體相比差不多存在135°的角度變化，反式同型二聚體中的“門”和“鎖”環(huán)更容易暴露在溶劑中，利于PP2Cs與ABA-PYL3復(fù)合物結(jié)合。綜上所述，二聚體形式的PYLs與PP2Cs結(jié)合的能力很弱，必須依賴ABA的存在，而單體形式的PYLs可以不依賴ABA直接抑制PP2Cs的磷酸酶活性，那么在單體PYLs存在的ABA信號通路中ABA扮演什么樣的角色呢?研究發(fā)現(xiàn)，ABA存在時，PYL10對ABI1的抑制作用遠遠強于ABA不存在時PYL10對ABI1的抑制作用，說明單體PYLs與PP2Cs也會互作，但是ABA存在時這種互作會更加強烈(Hao et al.,2011)。

ABA調(diào)控植物的生長發(fā)育及對逆境的響應(yīng)，PYLs作為ABA受體發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(圖3)。PYLs蛋白在植物中存在功能冗余的現(xiàn)象，PYLs的單突大都在表型上與野生型沒有差異，并且對ABA的敏感性沒有明顯變化；但PYLs的多突變體與野生型差異明顯，如pyr1/pyl1/pyl2/pyl4、pyl5/pyl8等對ABA極度不敏感，并且植株矮小。證明植物體的PYLs能夠補償PYL單一突變所造成的影響(Park et al.,2009)。雖然PYLs功能冗余，但是不同的PYLs在功能上仍具有一定的差異，主要是因為一方面：PYLs在植物體內(nèi)的表達量和組織特異性不同，有的PYLs表達量很高，如At PYR1和At PYL1-9；而有的PYLs表達量很低，如At PYL3和At PYL10-13；另一方面：PYLs在不同植物中的時空表達特異性不同，如Os PYL7、Os PYL8在水稻胚中表達量最高，Os PYL3、Os PYL5在葉中高表達，Os PYL1在根中高表達，Os PYL2、OsPYL9在所有組織中的表達量差異不大，表達量都很高(田曉杰,2017)。作為ABA受體，在植物體內(nèi)過量表達PYL能顯著提高植物對ABA的敏感性進而增強ABA促進種子休眠、抑制植物生長的效應(yīng)。研究表明，At PYR1、At PYL1、At PYL2、At PYL4-5和At PYL8-9均在ABA調(diào)控的種子萌發(fā)、根的生長以及氣孔關(guān)閉等方面發(fā)揮作用(Park et al.,2009;Xing et al.,2016)。噴施外源ABA抑制擬南芥?zhèn)雀L，At PYL8可以通過調(diào)控生長素應(yīng)答基因的表達，打破側(cè)根生長靜止期，恢復(fù)側(cè)根的生長(Zhao et al.,2014)(圖1)；由于擬南芥PYL8和PYL9的堿基序列相似度很高，且pyl8單突的側(cè)根靜止期明顯短于pyl8/pyl9雙突，而且恢復(fù)側(cè)根生長所需的吲哚乙酸的濃度略高于pyl8單突，說明擬南芥PYL8和PYL9基因在調(diào)控側(cè)根伸長上存在一定的功能冗余(Zhao et al.,2014)。除此之外，過表達At PYL6和At PYL13能增強ABA對種子萌發(fā)的抑制作用(Fuchs et al.,2014)。植物PYL蛋白具有高度保守性，不僅是擬南芥中的PYL可以增強ABA敏感性，在擬南芥中過量表達其他植物的PYL基因也會增強植株對ABA敏感性，在擬南芥pyr1/pyl1/pyl4三突材料中過量表達Gh PYL1可以部分增強ABA敏感性(Bai et al.,2013)。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]水稻ABA受體OsPYLs基因家族的鑒定和功能研究[D]. 田曉杰.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所) 2017

碩士論文
[1]棉花（Gossypium hirsutum）PYL基因的分離與鑒定[D]. 封力.華中師范大學(xué) 2016



本文編號：3224672