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拟南芥耐盐机制新进展!PNAS: 磷酸化蛋白质组揭示植物生长耐盐平衡机制

2020-06-22
中科新生命
2091

植物的生长是高度可塑性的,环境信号与内在的发育途径的协调对植物的生产力和抗逆性具有影响。但是,参与这种协调的信号传导机制仍不清楚。

为更好地探索这一问题,台湾中央研究院植物暨微生物研究所Paul E. Verslues课题组利用磷酸化修饰蛋白质组学策略对拟南芥模型进行分析,并发现一系列磷酸化位点受HAI1(Highly ABA-Induced1)的影响。

HAI1是一种参与非生物胁迫和脱落酸信号传导的蛋白质磷酸酶,它使DNA结合蛋白AHL10(AT-Hook-Like 10)去磷酸化。在缺水胁迫期间,AHL10磷酸化对于调节生长发育以及激素相关基因的表达至关重要。这项研究成果被国际权威期刊《PNAS》(IF=9.58)杂志报道,题为“Phosphoproteomics of Arabidopsis Highly ABA-Induced1 identifies AT-Hook–Like10 phosphorylation required for stress growth regulation”。该研究阐明了HAI1和AHL10的功能,并证明了植物用于平衡最大生长与对环境胁迫的强烈反应机制。

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DOI:10.1073/pnas.1819971116


研究材料

拟南芥野生型(W.T.)和hai1-2突变体幼苗,在高ψw(无胁迫对照)和低ψw(-1.2 MPa)胁迫条件下培养96 h。

技术方法

iTRAQ磷酸化蛋白质组学、RNA-seq

技术路线图

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研究结果

1. 组学初筛位点:磷酸化蛋白组学确定受HAI1影响的磷酸化蛋白

长期低ψw胁迫强烈诱导HAI1表达,因此,作者对维持在高ψw的野生型和hai1-2突变体幼苗,以及转移到低ψw胁迫的野生型和hai1-2突变体幼苗进行了定量磷酸化蛋白质组学研究。与先前已发表的hai1-2转录组分析相比,磷酸化蛋白质组学鉴定出一组受HAI1影响的磷酸化蛋白,包括AHL10。

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图1 与野生型相比,hai1-2突变体的磷酸化肽段丰度与基因表达的关系

2.互作功能验证:AHL10与HAI1相互作用并且被HAI1去磷酸化

作者通过rBiFC实验发现,低ψw胁迫促进HAI1-AHL10相互作用,并且AHL10还与HAI2和HAI3互作。经免疫沉淀实验证实,胁迫增加磷酸化的AHL10,并且可以被HAI1直接去磷酸化。

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图2 rBiFC实验

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图3 免疫沉淀实验

3.关键位点确认:低ψw胁迫期间,S314处的AHL10磷酸化对于抑制生长至关重要

经过中等程度的土壤干燥后,ahl10-1突变体的重量比野生型高近40%。为了测试AHL10磷酸化的功能重要性,在ahl10-1背景中表达了无磷酸化(S313A或S314A)和磷酸化(S313D或S314D)的AHL10,结果表明AHL10在生长调节中的功能取决于S314的磷酸化。

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图4 在低ψw胁迫期间,S314处的AHL10磷酸化对于抑制生长至关重要

4. 基因功能探究:AHL10调节干旱适应过程中发育和激素相关基因的表达

为了解AHL10如何影响生长,在无胁迫条件或中等严重度低ψw胁迫(-0.7 MPa,96 h)的条件下,对野生型和ahl10-1突变体进行了RNA-seq,结果显示,在低ψw胁迫条件下,ahl10-1突变体中差异表达的基因与生长发育和激素相关,并得到了qPCR的证实。

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图5 在低ψw胁迫期间,AHL10对发育和激素相关基因的调控也取决于S314的磷酸化

5. 深层功能挖掘:S314磷酸化影响AHL10蛋白功能

进一步分子生物学实验验证AHL10 S314磷酸化的功能:①不影响与AHL10相互作用;②是AHL10复合物形成核焦点所必需的。

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图6 rBiFC分析磷酸化和非磷酸化AHL10的自相互作用和核焦点定位

结论:

本研究通过磷酸化蛋白质组学确定了一组受HAI1影响的磷酸化位点,表明HAI1通过调节AHL10 S314的磷酸化控制AHL10的功能和定位,并表明HAI1-AHL10信号传导协调着压力和防御反应的增长。

小编心得

在该研究中,作者利用了基于质谱的磷酸化蛋白质组学技术,确定了与野生型相比,hai1-2突变体中具有多种磷酸肽丰度变化的蛋白质,为更好地了解激酶磷酸酶相互作用的磷酸酶方面提供了基础。