PNAS | 氮元素响应转录组时空调控枢纽——ABF2与ABF3

撰文 | 十一月

氮元素是植物生长发育的关键营养元素，也是调节植物基因表达的重要信号。土壤中最重要的氮元素来源之一是硝酸盐 （Nitrate） 【1】 ，但是目前对于植物体内控制硝酸盐特异性响应的时空转录调控网络以及相应的细胞类型还不甚清楚。

近日，智利天主教大学Rodrigo A. Gutierrez研究组在PNAS上发表了题为Spatiotemporal analysis identifies ABF2 and ABF3 as key hubs of endodermal response to nitrate研究论文，发现了转录因子ABF2与ABF3作为硝酸盐响应的枢纽发挥关键调控作用。

植物对土壤中的硝酸盐的利用是有限的，为了解除此种营养限制，植物可以因地制宜地改变根系结构，从而优化获取土壤中的硝酸盐。因此，植物中硝酸盐有效控制着主根、侧根以及根毛的生长发育 【2-3】 ，暗示着特异性响应硝酸盐的细胞类型集中在根系。在过去，人们通过增强子酵母单杂交等实验构建了关于氮元素的相关代谢网络，其中有21个转录因子控制着氮元素代谢的方方面面 【4】 。通过将时间转录组学数据与转录因子干扰实验相结合的方式，可以对转录因子全基因组效应进行验证 （Transient assay Reporting of Transcription factors，TARGET） 。但这种全基因组研究的一大限制是关注的转录因子与DNA之间的相互作用发生在整个器官水平。为了在细胞特异水平对硝酸盐响应的转录因子调控网络进行揭示，作者们在拟南芥根部引入的绿色荧光蛋白报告因子的表达，从而可以在硝酸盐处理后内对根部不同细胞层细胞进行流式细胞分选，并对其中发生变化的转录网络进行揭示。

作者们所使用的报告株系可以区分五种不同的根部细胞，发现在所有检测的细胞类型中，硝酸盐会引发快速的转录组重编程，在硝酸盐处理12分钟后，有1572个基因发生了应答响应，其中大部分 （42.5%） 的响应基因位于内胚层 （Endodermal cell layer） ，表明该组织在根系对硝酸盐的时间响应中发挥重要的作用，并且说明硝酸盐响应是由短暂的、高度细胞特异性定位的转录本变化所组成的。

通过对响应基因的本体论分析，作者们发现根系对硝酸盐、阴离子转运、糖酵解、氧酸代谢过程和修复代谢过程的响应，表明这些过程在根系中迅速而稳定地被激活。为了确认细胞特异性硝酸盐响应因子以及基因调控网络，作者们将时空转录组数据与转录因子调控信息进行整合，得到了一个多数据库融合预测基因调控网络。作者们发现该调控网络的中心是ABA反应元件相关转录因子ABF2和ABF3，且主要的细胞类型是内皮层细胞 （图1） 。

图1 拟南芥根部五种不同细胞类型中氮元素响应关键转录因子

进一步地，为了揭开ABF2和ABF3在内皮层细胞中对氮元素响应的过程，作者们构建了相关突变体，发现这些突变体中侧根的生长受到影响，并且该影响与氮元素的摄取相关。另外，作者们通过构建ABF2和ABF3双突变体确认这两个转录因子在氮元素响应过程中各有作用，并非相互冗余的存在，且对侧根生长的影响过程依赖于ABA信号通路。

图2 工作模型

总的来说，该工作鉴定出拟南芥根部的氮元素响应过程中相关转录因子与靶标基因之间细胞特异性的相互作用网络，发现转录因子ABF2和ABF3直接调控大量的硝酸盐响应相关基因 （图2） 。另外，作者们发现这两个转录因子参与拟南芥中硝酸盐控制的侧根生长，从而建立起了硝酸盐、ABA信号通路和根系发育过程之间的联系。

参考文献：

1. C. Masclaux-Daubresse et al., Nitrogen uptake, assimilation and remobilization in plants: Challenges for sustainable and productive agriculture. Ann. Bot. 105, 1141–1157 (2010).

2. E. A. Vidal et al., Nitrate in 2020: Thirty years from transport to signaling networks. Plant Cell 32, 2094–2119 (2020)

3. M. Asim et al., Nitrate signaling, functions, and regulation of root system architecture: Insights from Arabidopsis thaliana. Genes (Basel) 11, E633 (2020)

4. A. Gaudinier et al., Transcriptional regulation of nitrogen-associated metabolism and growth. Nature 563, 259–264 (2018).

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2107879119