New Phytologist|SAPK10-bZIP72-AOC通路介导脱落酸和茉莉酸协同抑制水稻种子萌发

   近日,中国水稻研究所种子发育课题组在New Phytologist在线发表了题为“Abscisic acid promotes jasmonic acid biosynthesis via a 'SAPK10-bZIP72-AOC' pathway to synergistically inhibit seed germination in riceOryza sativa”的研究论文,该研究首次揭示了SAPK10-bZIP72-AOC通路介导激素脱落酸和茉莉酸协同抑制水稻种子萌发的分子机制。


背景

脱落酸和茉莉酸都能抑制种子萌发,但在这一过程中它们之间的相互作用仍不清楚。在这里,我们报道了一个‘SAPK10bZIP72-AOC’途径的鉴定,ABA通过这个途径促进JA的生物合成,从而协同抑制水稻种子萌发。通过生物化学相互作用和磷酸化分析,我们发现SAPK10在177丝氨酸上具有一定的自磷酸化活性,使其主要在71丝氨酸上磷酸化bZIP72。SAPK10依赖的磷酸化增强了bZIP72蛋白的稳定性,增强了DNA与AOC启动子G-box顺式元件的结合能力,从而提高了AOC的转录水平和JA的内源性浓度。阻断JA生物合成显著减轻了ABA对种子萌发的敏感性,表明ABA的抑制作用部分依赖于JA浓度的升高。

 

结果

SAPK10在丝氨酸177上自动磷酸化

SAPK10是拟南芥中OST1和蚕豆中AAPK最接近的同源基因,据报道SAPK10是ABA诱导的水稻SnRK2型激酶,是ABA信号传导的核心成分。SAPK10的序列相似性分析确定了两个假定的磷酸化位点,丝氨酸177和苏氨酸178,它们与拟南芥中的OST1保守。SAPK10的自磷酸化分析表明,磷酸标记检测到纯化的GST-SAPK10的磷酸化带,在CIAP处理后消失,而作为阴性对照的GST没有磷酸化,说明SAPK10自身具有自磷酸化活性。

图1:SAPK10在丝氨酸177上自动磷酸化

图1:SAPK10在丝氨酸177上自动磷酸化


SAPK10的过表达赋予水稻对ABA的超敏性

通过构建SAPK10高表达系(OxSAPK10)和CRISPR/Cas9介导的敲除突变体(crsapk10)来分析SAPK10在水稻中的生物学作用。产生SAPK10S177A过表达系(OxSAPK10S177A)以探索SAPK10的自磷酸化对其自身生物学功能的影响。选择具有与OxSAPK10-3相似的SAPK10转录水平的OxSAPK10S177A-2和OxSAPK10S177A-3进行表型分型。有趣的是,与OxSAPK10-3的延迟种子萌发和幼苗生长相近,OxSAPK10S177A株系对ABA失去了过敏性,其发芽率和幼苗生长与野生型相似。因此,这些结果表明,阻断自磷酸化位点会损害SAPK10在ABA信号传导中的功能,并抑制种子萌发。

图2:过表达SAPK10使水稻对脱落酸(ABA)过敏


SAPK10磷酸化并稳定bZIP72

通过无细胞蛋白降解实验来检测SAPK10介导的磷酸化对bZIP7稳定性的影响。用ABA处理的幼苗显著延长GSTbZIP72的半衰期至10分钟,而GST-bZIP72在使用模拟蛋白提取物时仅在6分钟内降解到一半,表明ABA提高了bZIP72的蛋白质稳定性另一方面,通过使用GST-bZIP72S71D作为底物,其中Ser71被天冬氨酸取代以模拟bZIP72的构成性磷酸化状态,我们发现模拟磷酸化显著稳定了蛋白质,当与模拟总蛋白提取物孵育时,半衰期为9分钟,添加26S蛋白酶体抑制剂MG132显著延缓了GST-bZIP72的体外降解,这意味着该蛋白质处于泛素/26S蛋白酶体途径的降解下结果强烈表明,ABA和SAPK10介导的Ser71磷酸化增强了bZIP72的稳定性。

“图3:SAPK10磷酸化并稳定bZIP72”

图3:SAPK10磷酸化并稳定bZIP72


bZIP72和TRAB1在ABA信号转导中冗余作用

SAPK10和bZIP72之间的激酶-底物关系促使我们研究bZIP72在ABA中的作用。选择bZIP72转录水平与OxbZIP72相当的OXBZIP71A-15和OxbZIP72S71A17进行表型分型。然而,OxbZIP72S71A失去了对ABA的超敏性,恢复了种子发芽率和幼苗生长表明SAPK10介导的丝氨酸71磷酸化是开启ABA信号传导中bZIP72功能的关键开关

“图4在日本晴中,bZIP72和TRAB1在脱落酸(ABA)信号中起冗余作用”

图4:在日本晴中,bZIP72和TRAB1在脱落酸(ABA)信号中起冗余作用


磷酸化bZIP72通过与启动子中的G盒结合直接激活AOC转录

由于赤霉素和JA积极参与种子萌发,我们检测了OxbZIP72和WT萌发胚中一些关键GA或JA途径基因的转录水平,实验证明AOC积极参与ABA介导的种子萌发和萌发后生长过程的可能性。此外,我们测试了GST-bZIP72对一些具有G-box基序的水稻GA途径基因的启动子的结合能力,发现GST-bZIP72能够与GA20ox2的启动子结合,这表明bZIP72参与了GA的体内稳态。

图5:磷酸化bZIP72通过与启动子中的G盒结合直接激活AOC转录

图5:磷酸化bZIP72通过与启动子中的G盒结合直接激活AOC转录


ABA通过诱导JA积累部分抑制种子萌发

SAPK10-bZIP72-AOC调控途径暗示了ABA和JA在种子萌发过程中相互作用的一个积极的调节途径。为了解决这个问题,外源ABA被应用到WT的发芽种子中。当WT发芽胚被ABA处理时,JA的积累水平显著提高。与此结果一致的是,一组ABA信号基因和JA通路基因,包括AOC,被显著上调。由于ABA和JA都被认为是种子萌发的抑制剂,因此ABA对种子萌发的最终抑制作用可能部分基于ABA促进的JA积累。


图6:脱落酸通过部分诱导茉莉酸积累抑制日本扁豆种子萌发


结果

外源ABA赋予SAPK10的第177个丝氨酸的自磷酸化,使其能够在很大程度上磷酸化第71个丝氨酸的bZIP72。SAPK10依赖的磷酸化增强了bZIP72蛋白对26S蛋白酶体介导的降解的稳定性,以及与AOC启动子G-box顺式元件的DNA结合能力,从而提高了AOC的转录,最终提高了内源JA浓度,从而协同抑制了种子萌发。


参考文献:

1:ABA is an essential signal for plant resistance to pathogens affecting JA biosynthesis and the activation of defenses in Arabidopsis. Plant Cell 19: 1665–1681. 

2:Cloning of novel rice allene oxide cyclase (OsAOC): mRNA expression and comparative analysis with allene oxide synthase (OsAOS) gene provides insight into the transcriptional regulation of octadecanoid pathway biosynthetic genes in rice. Plant Science 164: 979–992. 

3.The jasmonic acid-signalling and abscisic acid-signalling pathways cross talk during one, but not repeated, dehydration stress: a nonspecific ’panicky’ or a meaningful response? Plant, Cell & Environment 40: 1704–1710. 


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原文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16774

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