脱落酸受体PYLs的结构与功能研究进展
发布时间：2021-06-11 14:00
脱落酸（abscisic acid, ABA）在响应生物及非生物胁迫和调控植物生长发育中发挥重要作用。ABA功能的发挥是通过一系列信号转导来实现的。ABA信号通路主要包括ABA受体PYR/PYL/RCAR、PP2C和SnRK2 3类核心组分。在ABA信号转导过程中,ABA受体PYLs作为ABA信号通路上游调控因子,首先感受ABA信号;然后,通过抑制PP2C磷酸酶活性进而激活SnRK2,促进下游基因表达,开启ABA信号通路,调控植物耐逆或生长发育。本研究主要对ABA信号通路,特别是PYLs蛋白的发现、结构及功能等方面进行了评述,并以棉花为例,对如何深化棉花PYLs蛋白功能研究作了展望。
【文章来源】：分子植物育种. 2020,18(20)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
ABA信号转导通路模型(Park et al.,2009;Zhao et al.,2014;Zhao et al.,2018)
PYLs可与ABA结合，那么其是否依赖ABA发挥对PP2C的抑制作用呢？研究发现这与PYLs的寡聚状态息息相关。已知At PYL1-3和At PYR1依赖ABA抑制PP2C的活性。但是，在ABA缺失的情况下At PYL4-6、At PYL8-10和At PYL13依旧发挥对PP2C的抑制作用(Hao et al.,2011;Li et al.,2013)。而At PYL4-10(除At PYL7外)均以单体形式存在，PYR1、PYL1-2以二聚体形态存在，PYL3则具有单体和二聚体两种存在形式(Santiago et al.,2009a;Hao et al.,2011;Zhang et al.,2012)。这似乎存在着一种规律，即单体的PYL可以不依赖ABA而抑制PP2C的活性，而二聚体形态的PYL在ABA存在时才能发挥对PP2C的抑制作用。为了探究其中的机理，Zhang等(2012)以具有两种存在形式的PYL3为对象研究PYLs的寡聚状态对其与PP2C互作的影响。结果表明，PYL3处于开放状态以及ABA结合状态时，存在两处明显的结构差异，一是ABA结合口袋入口侧面的环发生变化；二是C端的α螺旋发生变化(Melcher et al.,2009;Yin et al.,2009)。当ABA与PYL3结合之后，PYL3的P112 (位于CL2处)会向配体结合口袋移动(PYR1 P88;PYL1 P115;PYL2 P92)，与此同时PYL3的S109 (位于CL2处)会从空腔内向外翻转(PYR1 S85;PYL1 S112;PYL2 S89)，二者相互作用来关闭配体结合口袋的“门”；除此之外，PYL3配体结合口袋内的H139的咪唑基(PYR1 H115;PYL1 H142;PYL2 H119)通过范德华力与ABA的环己烯基互作锁住关闭的“门”环；最后，C端的α螺旋通过向ABA移动以稳定配体与受体的结合。这些构象的改变不但稳定了ABA与PYL3的结合，而且创造了一个有利于PP2Cs结合的新表面，PP2Cs会通过锁住“门”与“闩”来加入ABA-PYL的闭合构象从而构成三元复合体(Zhang et al.,2015)。与PP2C结合后，PYL3暴露在外面的S109与PP2C的谷氨酸残基形成氢键，影响了PP2C与金属离子(Mg,Mn)的结合，从而抑制PP2C的活性，除此之外S109还能通过氢键与PP2C的甘氨酸结合，阻碍底物蛋白进入PP2C的催化活性中心，从而抑制PP2C活性。以上所述的构象改变仅仅发生在PYL单体上，但是酵母双杂交实验显示单体的PYL与PP2Cs的结合能力很强，也可以不依赖ABA而与PP2Cs结合(Pizzio et al.,2013)。而二聚体形态的PYL与PP2Cs的结合能力较弱，必须在ABA存在时才能与其结合(Hao et al.,2011)。那么ABA又是怎样介导二聚体PYLs与PP2Cs互作的?Zhang等(2012)发现ABA的结合可能会影响PYLs的二聚体界面和两个单体的相对方向，而且结合ABA可以使二聚体形式的PYL3解聚为单体形式以便于和ABA与PP2Cs结合。Zhang等(2015)发现具有顺式同型二聚体结构的PYL3与ABA结合时，PYL3通过其中一个单体的旋转转化为反式同型二聚体，与顺式同型二聚体相比差不多存在135°的角度变化，反式同型二聚体中的“门”和“锁”环更容易暴露在溶剂中，利于PP2Cs与ABA-PYL3复合物结合。综上所述，二聚体形式的PYLs与PP2Cs结合的能力很弱，必须依赖ABA的存在，而单体形式的PYLs可以不依赖ABA直接抑制PP2Cs的磷酸酶活性，那么在单体PYLs存在的ABA信号通路中ABA扮演什么样的角色呢?研究发现，ABA存在时，PYL10对ABI1的抑制作用远远强于ABA不存在时PYL10对ABI1的抑制作用，说明单体PYLs与PP2Cs也会互作，但是ABA存在时这种互作会更加强烈(Hao et al.,2011)。
ABA调控植物的生长发育及对逆境的响应，PYLs作为ABA受体发挥着至关重要的作用(图3)。PYLs蛋白在植物中存在功能冗余的现象，PYLs的单突大都在表型上与野生型没有差异，并且对ABA的敏感性没有明显变化；但PYLs的多突变体与野生型差异明显，如pyr1/pyl1/pyl2/pyl4、pyl5/pyl8等对ABA极度不敏感，并且植株矮小。证明植物体的PYLs能够补偿PYL单一突变所造成的影响(Park et al.,2009)。虽然PYLs功能冗余，但是不同的PYLs在功能上仍具有一定的差异，主要是因为一方面：PYLs在植物体内的表达量和组织特异性不同，有的PYLs表达量很高，如At PYR1和At PYL1-9；而有的PYLs表达量很低，如At PYL3和At PYL10-13；另一方面：PYLs在不同植物中的时空表达特异性不同，如Os PYL7、Os PYL8在水稻胚中表达量最高，Os PYL3、Os PYL5在叶中高表达，Os PYL1在根中高表达，Os PYL2、OsPYL9在所有组织中的表达量差异不大，表达量都很高(田晓杰,2017)。作为ABA受体，在植物体内过量表达PYL能显著提高植物对ABA的敏感性进而增强ABA促进种子休眠、抑制植物生长的效应。研究表明，At PYR1、At PYL1、At PYL2、At PYL4-5和At PYL8-9均在ABA调控的种子萌发、根的生长以及气孔关闭等方面发挥作用(Park et al.,2009;Xing et al.,2016)。喷施外源ABA抑制拟南芥侧根生长，At PYL8可以通过调控生长素应答基因的表达，打破侧根生长静止期，恢复侧根的生长(Zhao et al.,2014)(图1)；由于拟南芥PYL8和PYL9的碱基序列相似度很高，且pyl8单突的侧根静止期明显短于pyl8/pyl9双突，而且恢复侧根生长所需的吲哚乙酸的浓度略高于pyl8单突，说明拟南芥PYL8和PYL9基因在调控侧根伸长上存在一定的功能冗余(Zhao et al.,2014)。除此之外，过表达At PYL6和At PYL13能增强ABA对种子萌发的抑制作用(Fuchs et al.,2014)。植物PYL蛋白具有高度保守性，不仅是拟南芥中的PYL可以增强ABA敏感性，在拟南芥中过量表达其他植物的PYL基因也会增强植株对ABA敏感性，在拟南芥pyr1/pyl1/pyl4三突材料中过量表达Gh PYL1可以部分增强ABA敏感性(Bai et al.,2013)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]拟南芥ABA受体PYL的十二重突变体揭示了PYL对ABA不依赖的渗透胁迫应答的抑制[J]. 赵杨,Zhengjing Zhang,高景慧,王鹏程,胡涛,Zegang Wang,Yueh-Ju Hou,Yizhen Wan,Wenshan Liu,Shaojun Xie,Tianjiao Lu,Liang Xue,Yajie Liu,Alberto P.Macho,W.Andy Tao,Ray A.Bressan,朱健康. 科学新闻. 2019(02)
[2]不受ABA诱导的SnRK2蛋白激酶家族研究进展[J]. 吴珊,张欣欣. 基因组学与应用生物学. 2018(03)
[3]陆地棉GhPYR1基因的克隆和功能分析[J]. 刘妍,孟志刚,孙国清,王远,周焘,郭三堆,张锐. 生物技术通报. 2016(02)
[4]FaPYL9基因调控草莓果实成熟的分子机理[J]. 颜志明,王全智,冯英娜,解振强,魏跃. 西北植物学报. 2015(12)
博士论文
[1]水稻ABA受体OsPYLs基因家族的鉴定和功能研究[D]. 田晓杰.中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) 2017
硕士论文
[1]棉花（Gossypium hirsutum）PYL基因的分离与鉴定[D]. 封力.华中师范大学 2016
本文编号：3224672
【文章来源】：分子植物育种. 2020,18(20)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
ABA信号转导通路模型(Park et al.,2009;Zhao et al.,2014;Zhao et al.,2018)
PYLs可与ABA结合，那么其是否依赖ABA发挥对PP2C的抑制作用呢？研究发现这与PYLs的寡聚状态息息相关。已知At PYL1-3和At PYR1依赖ABA抑制PP2C的活性。但是，在ABA缺失的情况下At PYL4-6、At PYL8-10和At PYL13依旧发挥对PP2C的抑制作用(Hao et al.,2011;Li et al.,2013)。而At PYL4-10(除At PYL7外)均以单体形式存在，PYR1、PYL1-2以二聚体形态存在，PYL3则具有单体和二聚体两种存在形式(Santiago et al.,2009a;Hao et al.,2011;Zhang et al.,2012)。这似乎存在着一种规律，即单体的PYL可以不依赖ABA而抑制PP2C的活性，而二聚体形态的PYL在ABA存在时才能发挥对PP2C的抑制作用。为了探究其中的机理，Zhang等(2012)以具有两种存在形式的PYL3为对象研究PYLs的寡聚状态对其与PP2C互作的影响。结果表明，PYL3处于开放状态以及ABA结合状态时，存在两处明显的结构差异，一是ABA结合口袋入口侧面的环发生变化；二是C端的α螺旋发生变化(Melcher et al.,2009;Yin et al.,2009)。当ABA与PYL3结合之后，PYL3的P112 (位于CL2处)会向配体结合口袋移动(PYR1 P88;PYL1 P115;PYL2 P92)，与此同时PYL3的S109 (位于CL2处)会从空腔内向外翻转(PYR1 S85;PYL1 S112;PYL2 S89)，二者相互作用来关闭配体结合口袋的“门”；除此之外，PYL3配体结合口袋内的H139的咪唑基(PYR1 H115;PYL1 H142;PYL2 H119)通过范德华力与ABA的环己烯基互作锁住关闭的“门”环；最后，C端的α螺旋通过向ABA移动以稳定配体与受体的结合。这些构象的改变不但稳定了ABA与PYL3的结合，而且创造了一个有利于PP2Cs结合的新表面，PP2Cs会通过锁住“门”与“闩”来加入ABA-PYL的闭合构象从而构成三元复合体(Zhang et al.,2015)。与PP2C结合后，PYL3暴露在外面的S109与PP2C的谷氨酸残基形成氢键，影响了PP2C与金属离子(Mg,Mn)的结合，从而抑制PP2C的活性，除此之外S109还能通过氢键与PP2C的甘氨酸结合，阻碍底物蛋白进入PP2C的催化活性中心，从而抑制PP2C活性。以上所述的构象改变仅仅发生在PYL单体上，但是酵母双杂交实验显示单体的PYL与PP2Cs的结合能力很强，也可以不依赖ABA而与PP2Cs结合(Pizzio et al.,2013)。而二聚体形态的PYL与PP2Cs的结合能力较弱，必须在ABA存在时才能与其结合(Hao et al.,2011)。那么ABA又是怎样介导二聚体PYLs与PP2Cs互作的?Zhang等(2012)发现ABA的结合可能会影响PYLs的二聚体界面和两个单体的相对方向，而且结合ABA可以使二聚体形式的PYL3解聚为单体形式以便于和ABA与PP2Cs结合。Zhang等(2015)发现具有顺式同型二聚体结构的PYL3与ABA结合时，PYL3通过其中一个单体的旋转转化为反式同型二聚体，与顺式同型二聚体相比差不多存在135°的角度变化，反式同型二聚体中的“门”和“锁”环更容易暴露在溶剂中，利于PP2Cs与ABA-PYL3复合物结合。综上所述，二聚体形式的PYLs与PP2Cs结合的能力很弱，必须依赖ABA的存在，而单体形式的PYLs可以不依赖ABA直接抑制PP2Cs的磷酸酶活性，那么在单体PYLs存在的ABA信号通路中ABA扮演什么样的角色呢?研究发现，ABA存在时，PYL10对ABI1的抑制作用远远强于ABA不存在时PYL10对ABI1的抑制作用，说明单体PYLs与PP2Cs也会互作，但是ABA存在时这种互作会更加强烈(Hao et al.,2011)。
ABA调控植物的生长发育及对逆境的响应，PYLs作为ABA受体发挥着至关重要的作用(图3)。PYLs蛋白在植物中存在功能冗余的现象，PYLs的单突大都在表型上与野生型没有差异，并且对ABA的敏感性没有明显变化；但PYLs的多突变体与野生型差异明显，如pyr1/pyl1/pyl2/pyl4、pyl5/pyl8等对ABA极度不敏感，并且植株矮小。证明植物体的PYLs能够补偿PYL单一突变所造成的影响(Park et al.,2009)。虽然PYLs功能冗余，但是不同的PYLs在功能上仍具有一定的差异，主要是因为一方面：PYLs在植物体内的表达量和组织特异性不同，有的PYLs表达量很高，如At PYR1和At PYL1-9；而有的PYLs表达量很低，如At PYL3和At PYL10-13；另一方面：PYLs在不同植物中的时空表达特异性不同，如Os PYL7、Os PYL8在水稻胚中表达量最高，Os PYL3、Os PYL5在叶中高表达，Os PYL1在根中高表达，Os PYL2、OsPYL9在所有组织中的表达量差异不大，表达量都很高(田晓杰,2017)。作为ABA受体，在植物体内过量表达PYL能显著提高植物对ABA的敏感性进而增强ABA促进种子休眠、抑制植物生长的效应。研究表明，At PYR1、At PYL1、At PYL2、At PYL4-5和At PYL8-9均在ABA调控的种子萌发、根的生长以及气孔关闭等方面发挥作用(Park et al.,2009;Xing et al.,2016)。喷施外源ABA抑制拟南芥侧根生长，At PYL8可以通过调控生长素应答基因的表达，打破侧根生长静止期，恢复侧根的生长(Zhao et al.,2014)(图1)；由于拟南芥PYL8和PYL9的碱基序列相似度很高，且pyl8单突的侧根静止期明显短于pyl8/pyl9双突，而且恢复侧根生长所需的吲哚乙酸的浓度略高于pyl8单突，说明拟南芥PYL8和PYL9基因在调控侧根伸长上存在一定的功能冗余(Zhao et al.,2014)。除此之外，过表达At PYL6和At PYL13能增强ABA对种子萌发的抑制作用(Fuchs et al.,2014)。植物PYL蛋白具有高度保守性，不仅是拟南芥中的PYL可以增强ABA敏感性，在拟南芥中过量表达其他植物的PYL基因也会增强植株对ABA敏感性，在拟南芥pyr1/pyl1/pyl4三突材料中过量表达Gh PYL1可以部分增强ABA敏感性(Bai et al.,2013)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]拟南芥ABA受体PYL的十二重突变体揭示了PYL对ABA不依赖的渗透胁迫应答的抑制[J]. 赵杨,Zhengjing Zhang,高景慧,王鹏程,胡涛,Zegang Wang,Yueh-Ju Hou,Yizhen Wan,Wenshan Liu,Shaojun Xie,Tianjiao Lu,Liang Xue,Yajie Liu,Alberto P.Macho,W.Andy Tao,Ray A.Bressan,朱健康. 科学新闻. 2019(02)
[2]不受ABA诱导的SnRK2蛋白激酶家族研究进展[J]. 吴珊,张欣欣. 基因组学与应用生物学. 2018(03)
[3]陆地棉GhPYR1基因的克隆和功能分析[J]. 刘妍,孟志刚,孙国清,王远,周焘,郭三堆,张锐. 生物技术通报. 2016(02)
[4]FaPYL9基因调控草莓果实成熟的分子机理[J]. 颜志明,王全智,冯英娜,解振强,魏跃. 西北植物学报. 2015(12)
博士论文
[1]水稻ABA受体OsPYLs基因家族的鉴定和功能研究[D]. 田晓杰.中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) 2017
硕士论文
[1]棉花（Gossypium hirsutum）PYL基因的分离与鉴定[D]. 封力.华中师范大学 2016
本文编号：3224672
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