植物如何應對地下缺水并響應干旱脅迫多肽長距離運輸

　　 2018年4月，Nature雜志在線發表了來自日本理化學研究所 Kazuo Shinozaki課題組題為“A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signalling”研究論文。該論文發現了多肽CLE25能在根部感受缺水信號，并通過維管束長距離的運輸到葉片中，通過與葉片的BAM受體結合后，調控ABA的生成和氣孔的關閉，最終，。因此，該文首次研究表明多肽能夠作為長距離的分子信號調節非生物脅迫干旱，幫助我們更好的理解植物體應對干旱脅迫的機制，并有效提高植物的抗旱性。

　　 該文被同期 Nature雜志配備了評論文章“Peptide signal alerts plants to drought”，同時又被近期Molecular Cell 雜志發表評論文章“How Arabidopsis Talks to Itself about Its Water Supply”給予了推薦，可見文章的突破性和重要性。因此，小編認為盡管文章發表了很久，也足以讓我們細細品讀該文。

植物生長過程中需要應對不同的脅迫環境，包括生物脅迫(如病原體感染和食草動物的啃食)和非生物脅迫(例如干旱、高溫冷害、鹽害以及有毒金屬毒害)（見下圖）。

圖1. 植物需要各種生物性和非生物脅迫（Annu. Rev. Plant Biol. 2017. 68:485–512）

　　 干旱是影響植物的地理分布、限制農作物產量,并威脅糧食安全的主要環境因子之一。干旱脅迫會使植物體內ABA含量上升，進而使得葉片的氣孔關閉，以減少水分的喪失，而脫落酸（ABA）信號轉導途徑是植物中干旱脅迫的核心信號通路。ABA激活的SnRK2s可以使質膜NADPH氧化酶Rboh F磷酸化,在質外體空間產生O2-,隨后形成H2O2,作為信號分子調節氣孔關閉過程，另外激活的SnRK2s也可以磷酸化陰離子通道SLAC1，該蛋白同樣調控干旱脅迫下ABA介導的氣孔關閉以減少水分的蒸騰損失（見下圖）。

　　 植物細胞能分泌一段很短的多肽蛋白，結合到其他細胞表面上的受體，從而調節植物的發育，故小多肽也稱為多肽激素。到目前為止，已經鑒定了1200多種的多肽激素，如：PSK，控制細胞的增殖；IDA，調控根生長；CLV3，與植物干細胞的分化相關；LUREs，指導花粉管的伸長等等（見下圖）。同時，多肽激素也能在植物的創傷響應和生物脅迫及非生物脅迫中起到重要的作用，如：CEP和CAPE作為負調控因子調節植物抗鹽脅迫反應；該課題也同樣報道了AtPep3結合細胞表面受體PEPR1后在植物抗鹽脅迫途徑上起作用。此外，還有報道有些激素樣多肽能夠在體內長距離的運行調節組織與組織之間的交流，如：CEP1多肽能夠在氮饑餓時調節植物根的生長。但是，至今對多肽激素在植物體內長距離運輸以響應非生物脅迫仍然知之甚少！

經典的小肽分子的作用位點和功能（Annu. Rev. Plant Biol. 2014. 65:385–413）

　　 在干旱條件下，植物會產生ABA激素，可以幫助植物通過關閉氣孔口以防止水份從葉片流失的方式來調節水份。然而，之前人們并不知道植物在根部感應干旱到葉片產生ABA之間的步驟。多肽激素作為小分子的信號肽，已被證實能夠在體內長距離的運輸，哪么它是否會在其中起作用呢？

　　第一，確認根部多肽分子CLE25參與了葉片ABA的合成

　　 該研究首先用人工合成的27種CLE多肽處理擬南芥的根部，發現只有CLE25多肽能夠導致葉片中ABA激素的增加，并進一步能導致氣孔的關閉，其水平類似于ABA的添加效果（見下圖）。同時通過改進的質譜方法nLC-MS/MS能在葉片中檢測到根部處理帶標記的CLE25,說明了CLE25是作為一種激素在植物體內起作用，同時CLE25是作為功能性移動信號分子，從根部運輸到葉片中。

　　第二，確認CLE25在根部能被脫水脅迫誘導表達。

　　 既然上述證明CLE25作為一個移動的信號分子，哪它又是響應什么信號？研究表明，植物脫水后根部的CLE25會被誘導表達（圖a）。進一步GUS染色表明，CLE25存在于主根、根尖、葉脈和初生根的原形成層等維管束中（圖 b.c）。而原位雜交實驗顯示CLE25表達在初生根的原形成層中（圖 d），說明了CLE25在根部誘導表達形成多肽后，轉移到維管束組織中，進而到達葉片中。

　　第三，CLE25突變體確認其功能。

　　 由于多肽基因太小，無法獲得T-DNA突變體，因此，該研究通過CRISPR-Cas9技術，構建了cle25突變體。研究表明，植物缺水脅迫誘導的NCED3基因的表達和ABA的濃度上升在兩個cle25突變體中被抑制。同時，cle25突變體在水分充足時生長正常，而在缺水脅迫中，表現的更為敏感，因此說明了CLE25在植物響應缺水響應及抗干旱中起到重要的作用。

　　第四，確認CLE25在葉片中的受體及如何誘導ABA合成。

　　 該研究通過在cle25突變體的根部外源CLE25處理后，發現葉片中的NCED3的基因表達上調，說明了CLE25是在葉中調節表達。進一步的嫁接實驗也驗證這個結論。同時利用嫁接實驗證實了受體蛋白質BAM1和BAM3為CLE25誘導反應所必需，說明了BAM1和BAM3是作為CLE25的受體，調控ABA的合成。

　　 綜上所述，該文對27種CLE多肽進行了測試，驗證了只有CLE25具有促進ABA合成的能力，并且能夠誘導NCED的酶。然而干旱能引發NCED3基因的表達，于是作者進一步實驗證明了干旱能在根部誘導CLE25的表達，并且能夠從根部長距離轉移到葉片中與受體蛋白BAM1和BAM3結合后，誘導NCED3表達，導致了ABA濃度升高，同時使氣孔開放程度降低，用來響應植物缺水（如下圖）。