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生科院沈文飚教授团队发现硫化氢调控植物逆境响应新机制

Molecular Plant 近日在线发表了南京农业大学生命科学学院沈文飚团队谢彦杰研究组题为Hydrogen Sulfide-linked Persulfidation of ABSCISIC INSENSITIVE 4 Controls Arabidopsis ABA Responses Through the Transactivation of Mitogen-Activated Protein Kinase Kinase Kinase 18 的研究论文。该论文报道了硫化氢和硫巯基化修饰在脱落酸(ABA)对丝裂原活化蛋白激酶系统的调控模式。
    硫化氢(H2S)是植物-环境相互作用中的重要信号分子。L-半胱氨酸脱硫酶1(L-CYSTEINE DESULFHYDRASE 1, DES1)是拟南芥细胞质中产生H2S的重要酶。H2S介导的信号激活与传递通过硫巯基化修饰来介导,即蛋白质Cys残基上的R-SH转变为R-SSH。植物激素ABA在植物应对不利环境条件的适应过程中起着重要作用,我们已经发现,ABA能诱导保卫细胞中DES1发生自我硫巯基化修饰,促进H2S的产生;进一步硫巯基化修饰NADPH氧化酶RBOHD,刺激活性氧大量产生,诱导气孔气孔关闭(Shen et al., 2020 Plant Cell)。然而,H2S和硫巯基化修饰在ABA信号传递中的转录调控机制还有待阐明。
    ABA INSENSITIVE4(ABI4)是ABA信号途径中的一个正调控因子。ABI4是一个“枢纽型”的重要转录因子,它可以通过与CACCG或CCAC的DNA基序结合,实现对多个靶基因表现出转录激活或抑制效应,介导受植物激素网络调控的多个生理途径。该研究发现,ABI4位于DES1调控植物ABA应答的下游。ABI4具有3个潜在的硫巯基化修饰位点,其中Cys250能发生硫巯基化修饰。ABA能诱导ABI4的Cys250发硫巯基化修饰,这一过程在des1突变体中被削弱。同时,Cys250及其硫巯基化修饰调控了ABI4介导的ABA应答反应。
    丝裂原活化蛋白激酶(MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE, MAPK)级联系统是在真核生物中发现的保守信号通路,它们在环境和发育信号的传递中起重要作用,参与不同的细胞过程,如生长、发育和胁迫响应。遗传学和生物化学研究表明,MAPKKK18是ABI4调控的下游靶标。在ABA信号途径中,ABI4结合MAPKKK18启动子CE1原件,MAPKKK18转录受激活。ABI4-MAPKKK18的这一转录调控过程也受硫巯基化修饰调控。巯基化修饰能提高ABI4对MAPKKK18转录激活的能力,但并不影响ABI4对CE1原件的结合。同时巯基化修饰能提高ABI4对DES1转录激活能力。
    该项研究结果揭示了ABI4是ABA信号与MAPK级联系统信号传递的交汇枢纽,同时阐明了H2S介导的巯基化修饰在ABA转录调控中功能。在ABA信号中,H2S引发ABI4 Cys250发生硫巯基化修饰,进一步促进了MAPKKK18的转录激活。相关研究结果拓展了我们对H2S和硫巯基化修饰在ABA信号转导转录水平调控的认识。
    该研究以南京农业大学生命科学学院为第一单位。南京农业大学生命科学学院博士生周明健、张晶、已毕业硕士沈杰和师资博士后周恒为该论文的同等贡献第一作者,   谢彦杰教授为通讯作者。国家蛋白质科学中心杨靖研究员、西班牙国家科学研究委员会Cecilia Gotor和Luis Romero研究员、南京农业大学沈文飚教授、江苏省农科院经作所袁星星副研究员参与了部分研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金和欧洲区域发展基金资助。

图1 ABA信号中硫巯基化调控ABI4转录激活MAPKKK18的机制模型

论文链接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(21)00082-4