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切磋公布细胞壁蛋白调节植物耐盐的新机制

12月5日,国际学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为Leucine-rich repeat extensin proteins regulate plant salt tolerance in Arabidopsis 的研究论文。该研究首次报道了细胞壁LRX蛋白通过与RALF多肽以及细胞膜受体类激酶FER形成一个元件来调控植物生长和耐盐性。

2019 年 9 月 26 日,Current Biology 杂志在线发表了来自北大 - 清华生命科学联合中心瞿礼嘉课题组的 “LLG2/3 are co-receptors in BUPS/ANX-RALF signaling to regulate Arabidopsis pollen tube integrity” 研究论文,揭示了拟南芥中两个糖基化磷脂酰肌醇锚定蛋白 (GPI-AP) LLG2 和 LLG3 作为 RALF4/19-BUPS/ANX 受体复合体的共受体,调控花粉管细胞的破裂。

细胞壁不仅为细胞提供结构支持和保护,也是细胞感受外界环境胁迫的一个重要场所。细胞壁的完整性对于植物维持生长和抵抗非生物胁迫起非常重要的作用。过去几年的研究已经表明植物中存在感受细胞壁完整性的受体,包括CrRLK1L家族蛋白和WAK蛋白,但是植物感受细胞壁完整性的具体机制还不完全清楚。

在被子植物的有性生殖过程中,花粉管是精细胞的运输载体,它经历与雌方多种组织和细胞的相互作用,最终将精细胞送至雌配子体进行双受精。因此,花粉管的细胞完整性对精细胞的顺利传送至关重要,即花粉管既要在极性生长过程中保持一定的细胞完整性,防止精细胞提前释放,又要在胚珠中及时破裂,为双受精进一步进行准备。瞿礼嘉课题组 2017 年的工作发现,花粉管细胞完整性的维持及破裂过程主要受 RALF4/19/34-BUPS/ANX 信号复合体调控。他们发现花粉管特异表达的 BUPS1/2 受体通过与同属 CrRLK1L (Catharanthus roseus receptor-like kinase) 受体家族的 ANX1/2 受体形成受体复合体,通过识别花粉管自分泌的快速碱化因子 (Rapid ALkalinization Factor, RALF) 家族成员 RALF4/19 小肽维持花粉管的细胞完整性,而通过识别胚珠分泌的 RALF34 小肽控制使得花粉管破裂并释放精细胞 (Ge et al., Science, 2017) 。

细胞壁中存在一类LRX蛋白。这类蛋白包含一个能够结合细胞壁多聚糖的extensin结构域以及一个能够与其它蛋白相互作用的LRR结构域。在该项研究中,科研人员发现当把LRX蛋白家族中的LRX3LRX4LRX5三个基因同时突变后,植株表现出生长矮小且对盐胁迫非常敏感的表型。通过质谱以及免疫共沉淀的方法发现LRX蛋白通过其LRR结构域与RALF22和RALF23等多肽相互作用。CrRLK1L蛋白家族成员中的FER蛋白是RALF多肽的受体。该研究发现FER能够与RALF22和RALF23直接相互作用。表型分析显示FER突变体以及RALF22和RALF23过量表达的转基因植株都表现出生长矮小和对盐胁迫敏感的表型。据此,该论文推断LRX蛋白、RALF多肽和FER蛋白形成一个元件来感受细胞壁的完整性,从而调控植物生长和耐盐性。研究还表明在盐胁迫处理后,S1P蛋白酶能将RALF22多肽前体切割成成熟的RALF22多肽,而成熟的RALF22多肽能够诱导FER蛋白的内吞。这些结果揭示了盐胁迫下RALF多肽如何调控FER蛋白的活性。这项科研成果将会为培育抗逆高产作物提供新的方向和思路。

已有研究发现 GPI-AP 蛋白 LRE 和 LLG1 可以作为分子伴侣参与 FER 受体所介导的信号途径,而 FER 受体与 BUPS1/2 和 ANX1/2 一样同属 CrRLK1L 受体家族 (Tsukamoto et al., Plant Journal, 2010; Li et al., eLife, 2015)。为了鉴定参与花粉管细胞完整性调控的其他因子,瞿礼嘉课题组在系统地分析了拟南芥中的 GPI-AP 基因之后,发现了两个与 LRE/LLG1 相似、其相互之间序列又非常相似的 GPI-AP 基因 LLG2 和 LLG3,这两个基因在花粉中大量表达。随后他们采用 CRISPR/Cas9 基因敲除技术将这两个基因敲除,获得了 llg2 llg3 双突变体。llg2 llg3 双突变体存在严重败育的表型,雄配子体传递率几乎为零;重要的是,体外萌发的 llg2 llg3 突变体花粉管提前发生破裂。这一系列表型与 anx1 anx2、bups1 bups2 和 ralf4 ralf19 等相关突变体的表型非常相似,暗示着 LLG2/3 可能参与了 RALF4/19-BUPS/ANX 信号复合体所介导的信号通路。之后,通过一系列生物化学实验,他们发现 LLG2/3 不仅可以直接结合 RALF4/19 小肽,还可以与 BUPS1/2 和 ANX1/2 受体的胞外域直接相互作用。更为有趣的是,当在体外 pull-down 实验体系中加入 RALF4/19 小肽时,可以显著加强 LLG2/3 与 BUPS1/2、ANX1/2 受体胞外域之间的相互作用。同时,他们还通过蛋白截短实验找到了 LLG2/3、RALF4/19 和 BUPS1/2 以及 ANX1/2 中负责相互作用和活性控制的区域。这些发现提供了直接证据证明 LLG2/3 可能作为共受体参与 BUPS/ANX 受体复合体识别 RALF4/19 小肽过程。因此,LLG2/3 共受体的发现完善了 RALF4/19-BUPS/ANX 复合体维持花粉管细胞完整性的分子机理,也进一步增进了我们对植物受精过程中信号交流的理解与认识。

该论文第一作者为植物逆境中心博士赵春钊和普渡大学博士研究生Omar Zayed。该研究受到中科院先导项目的资助。

由于瞿礼嘉课题组在拟南芥花粉管细胞完整性调控机理研究中取得了一系列的重要成果,近期他们已受邀为 New Phytologist (Tansley Insights) 撰写综述论文 (Ge, et al., New Phytologist, 2019)。