NATURE COMMUNICATIONS|组氨酸激酶MHZ1/OsHK1与乙烯受体作用调节水稻的根系生长

中国科学院大学的研究人员于NATURE COMMUNICATIONS（IF:12.121）上发表了一篇题为“Histidine kinase MHZ1/OsHK1 interacts with ethylene receptors to regulate root growth in rice”的研究文献，该文献揭示了组氨酸激酶MHZ1/OsHK1与乙烯受体作用调节水稻的根系生长。

背景

乙烯在植物生长发育中起着至关重要的作用。水稻是一种单子叶作物，长期生长在水环境中。乙烯在水稻对缺氧胁迫的适应性反应中起着重要作用，但尚未系统地研究水稻中的乙烯信号传导途径。组氨酸激酶（HK）在植物发育的激素调节中至关重要，但到目前为止，乙烯受体如何传输信号仍不清楚。在这项研究中，我们表征了水稻根系特异性乙烯不敏感突变体MHZ1，并发现MHZ1编码水稻组氨酸激酶OsHK1。

结果

mhz1表征及基因鉴定

分离出一组水稻乙烯响应突变体，mhz1表现出对乙烯不敏感的根特异性表型。在乙烯中，WT根的长度显著减少，而mhz1-1和mhz1-2的根生长没有受到抑制，表明两个突变体的初生根中具有完整的乙烯不敏感表型。进一步鉴定了另外两个等位基因突变体（mhz1-3和mhz1-4），综合结果表明mhz1对根生长中的乙烯不敏感。

图1：MHZ1积极调节水稻根部的乙烯响应

通过TAIL-PCR鉴定MHZ1基因为LOC_Os06g44410，其他等位基因进一步分析，结果都表明MHZ1对应于LOC_Os06g44410，其编码组氨酸激酶OsHK1。

图2：MHZ1-1绿苗和不同等位基因的乙烯不敏感表型

MHZ1过表达增强根部的乙烯反应

为了研究MHZ1的基因功能，在野生水稻中过表达MHZ1。与野生型相比，高表达的MHZ1-OE系根较短， 1-MCP处理在很大程度上抑制了这些短根表型，表明MHZ1功能需要乙烯受体信号传导。

图3：MHZ1基因表达和GUS染色分析

进一步研究以确定乙烯响应基因的表达，qPCR分析表明乙烯诱导OsRRA5，OsERF002和OsRAP2.8的表达在mhz1中被阻断，而这些基因的表达在MHZ1-过表达植株根中显著增强。结果进一步证实了mhz1突变体和MHZ1-OE植物在不同器官和基因表达水平上对乙烯响应不同。

乙烯诱导的MHZ1表达需要OsEIN2和OsEIL1

MHZ1转录在根中较多，而在其他器官中较少，这是由乙烯在根中诱导的。乙烯诱导MHZ1需要OsEIN2和OsEIL1，并且OsEIL1可以与MHZ1启动子中的ATGTA元素结合，并在烟草瞬时分析系统中激活启动子活性。

图4：乙烯通过将OsEIL1直接与其启动子区域结合来诱导MHZ1表达

MHZ1通过OsAHP将磷酰基转移至OsRR21

为研究MHZ1是否具有HK活性，产生了不同的突变蛋白或截短蛋白，并测定了其磷酸化能力。结果表明MHZ1是功能性HK。

接下来，研究了MHZ1是否可以将磷酸基团转移到水稻的下游HPt和B型RR成分中，结果表明，GST-MHZ1可以将磷酸基团转移到OsAHP1和OsAHP2而不是OsPHP1或OsPHP2。OsAHP1和OsAHP2中的H79Q和H80Q突变分别通过GST-MHZ1破坏了它们的磷酸化，表明这些残基很可能是接受磷酰基的位点。进一步研究数据表明，活化的GST-MHZ1可以将其磷酰基转移至OsAHP1/OsAHP2，再转移至下游RR，例如OsRR21。

图5：Mhz1介导的磷酸转运途径是乙烯抑制根系生长所必需的

乙烯信号传导需要MHZ1介导的磷酸化

进一步分析了MHZ1激酶活性及其介导的磷酸化对于水稻根部乙烯反应是否必不可少。结果表明，MHZ1激酶活性，保守的H375磷酸化位点和D824磷酸基接受位点都是其调节水稻根乙烯反应的功能所必需的。

由于OsAHP1/2和OsRR21接受来自MHZ1的磷酰基，因此研究了它们是否参与乙烯信号传导。通过CRISPR/Cas9产生了OsAHP1，OsAHP2和OsRR21的突变体，并研究了它们的乙烯反应。结果表明，MHZ1-AHP1/2-OsRR21磷信号途径是水稻根部乙烯响应所必需的。

图6：双组分元素分析水稻根系的乙烯反应

MHZ1在OsERS2基因上起作用

遗传分析研究MHZ1如何与乙烯信号通路相互作用。双突变分析表明，MHZ1是受体突变体的乙烯反应表型所必需的。Osers2 的功能获得性突变抑制了根乙烯反应中的MHZ1功能。MHZ1可能在OsERS2功能水平起作用或它们可能形成复合物。

图7：OsERS2功能增强突变体mhz12/ Osers2^d鉴定

图8：MHZ1与乙烯受体发生物理相互作用并受其抑制

OsERS2与MHZ1相互作用以抑制其激酶活性

研究了MHZ1和OsERS2之间蛋白相互作用的可能性。酵母双杂交试验表明，共表达OsERS2-Cub和NubG-MHZ1的酵母细胞能够在选择性培养基上良好生长，这表明MHZ1与酵母细胞中的OsERS2相互作用。水稻原生质体中的GST分析和免疫共沉淀（Co-IP）分析进一步揭示了OsERS2可以和水稻细胞中与MHZ1相互作用。

图9：Osers2d (a)和1-MCP(b)处理加强了MHZ1的膜结合

进一步研究结果表明，OsERS2可能通过其GAF域抑制MHZ1自磷酸化和MHZ1介导的磷酸化。OsERS2和Osers2^d抑制水稻细胞中的MHZ1组氨酸磷酸化，表明乙烯受体在调节MHZ1激酶活性中的作用。

图10：OsERS2的激酶活性和不同乙烯受体对MHZ1激酶活性的抑制

MHZ1与OsEIN2的遗传相互作用

我们进一步研究了MHZ1与OsEIN2的遗传关系。OsEIN2-OE部分抑制mhz1 / OsEIN2-OE植株在乙烯中对乙烯不敏感的根系生长，与 OsEIN2介导的信号途径相比，mhz1/OsEIN2-OE幼苗在中胚轴以上的节上仍有较长的不定根，表明激活的OsEIN2介导的信号通路可以部分恢复mhz1突变体的乙烯反应。

图11：MHZ1和OsEIN2介导的途径的遗传相互作用

将MHZ1-OE与Osein2杂交，以生成Osein2 / MHZ1-OE植物。结果表明，Osein2突变不能完全阻止由MHZ1过表达增强的乙烯反应，这意味着MHZ1可能具有独立于OsEIN2功能而接受来自上游成分（例如乙烯受体）的信号的能力。

结论

研究结果表明，MHZ1 / OsHK1部分独立于OsEIN2介导乙烯响应，，并且被乙烯受体直接抑制，从而揭示了乙烯信号传导对根生长调节的机制细节。我们的数据为水稻中乙烯信号传导的机理提供了有价值的见解，并应有助于改善作物的逆境适应性和相关农艺性状。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究项目和植物基因组学国家重点实验室的支持。

参考文献

【1】Bleecker, A. B. & Kende, H. Ethylene: a gaseous signal molecule in plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 16, 1–18 (2000).

【2】Ju, C. L. & Chang, C. Advances in ethylene signalling: protein complexes at the endoplasmic reticulum membrane. AoB Plants 2012, pls031 (2012).

【3】Merchante, C., Alonso, J. M. & Stepanova, A. N. Ethylene signaling: simple ligand, complex regulation. Curr. Opin. Plant Biol. 16, 554–560 (2013).

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14313-0

下载原文