EMBO J | 中国农业大学杨淑华团队揭示独脚金内酯调控植物耐低温的分子机制

植物的一生面临着昼夜交替、四季变换以及全球气候变化带来的低温胁迫，尤其是生长于温带地区的经济作物，低温寒害会给其生长发育带来严重影响，甚至会造成植株死亡，粮食减产，给农业生产带来巨大损失。因此，研究植物响应低温胁迫的分子机制，为培育耐受低温作物新品种提供理论基础和基因资源。

在与自然界长期斗争的过程中，植物进化出独有的低温应答机制。经过一段时间的非致死低温的处理后，植株获得更强抗低温能力的过程被称为冷锻炼 (cold acclimation)。目前对拟南芥冷锻炼机制研究较为清晰的是以转录因子 CBF/DREB1 (C-repeat binding factor/dehydration responsive element binding 1) 为核心的低温信号转导通路。CBFs基因受低温快速诱导，激活下游一系列 CORs (cold-responsive) 基因的表达，从而增强植物抵御低温胁迫的能力。近年来，越来越多的参与调控CBF信号通路的组分被克隆和功能验证。

植物激素不仅参与调控植物生长发育的各个过程，也在植物响应非生物胁迫中发挥着重要作用。中国农业大学杨淑华团队前期研究发现，多种植物激素可以通过CBF依赖和不依赖的途径调控植物的抗冻性。拟南芥乙烯功能获得性突变体ctr1-1和etr1-1，以及转录因子EIN3的过表达植株都表现出抗冻能力减弱的表型；低温诱导乙烯信号途径中的E3连接酶EBF1/EBF2降解，其靶蛋白EIN3转录因子积累，结合在CBFs的启动子区，抑制CBFs的基因表达，从而负调控植物抗冻性 (Shi et al., 2012)；同时EBF1/EBF2的另一靶蛋白PIF3 (Phytochrome-interacting factor 3)积累，从而抑制CBFs基因的表达，负调控植物抗冻性 (Jiang et al., 2017)。油菜素甾醇信号中的重要转录因子BZR1通过CBF信号途径和不依赖于CBF的信号途径正调控植物抗冻性 (Li et al., 2017)。此外，蛋白激酶BIN2磷酸化转录因子ICE1并促进蛋白泛素化降解，从而负调控CBFs基因表达 (Ye et al., 2019)。

独脚金内酯 (Strigolactones, SLs) 是一种类胡萝卜素植物激素，在植物形态建成方面发挥重要功能，并参与调控拟南芥对多种非生物胁迫的响应过程。然而，独角金内酯如何参与植物低温应答有待进一步探索。近日，该团队在The EMBO Journal杂志发表题为Strigolactones promote plant freezing tolerance by releasing the WRKY41-mediated inhibition of CBF/DREB1 transcription的研究论文，揭示了SLs参与调控植物低温应答的分子机制。

该研究发现，拟南芥独角金内酯合成和信号转导途径的突变体 max (more axillary growth) 和d14均表现出冻敏感表型，而独脚金信号通路的抑制子smxl6/7/8 (suppressor of MAX2-like) 抗冻性较野生型增强；外源施加独脚金内酯类似物GR24 5DS ，可以增强野生型植株和SL合成途径突变体 (max1, max3 和 max4) 的抗冻性，说明独脚金内酯正调控植物的抗冻性。在低温敏感的max突变体中，低温诱导的CBFs及下游CORs基因的表达量均低于野生型；而其表达量在GR24 5DS 处理下得到显著增强，说明独角金内酯正调控CBF信号通路。但是在耐低温的smxl6,7,8 突变体中，低温诱导的CBFs基因表达却略低于野生型，说明SMXL6/7/8负调控植物抗冻性是不依赖CBF信号通路的，更可能是通过调控植物花青素含量实现的 (Wang et al., 2020)。为了探究SL调控CBF的分子机制，作者开展对SL信号途径重要组分E3泛素连接酶MAX2互作蛋白的筛选，并发现转录因子WRKY41与MAX2互作。进一步实验显示MAX2介导低温和GR24 5DS 诱导的WRKY41的泛素化降解。WRKY41可与CBFs启动子区的W-box基序结合并负调控CBFs基因表达和拟南芥抗冻性。

综上所述，低温诱导MAXs基因表达，提高拟南芥内源SL含量。一方面，SL抑制WRKY41基因表达；另一方面，SL促进MAX2与WRKY41互作，介导WRKY41通过26S蛋白酶体途径降解，解除WRKY41对其靶基因CBFs的抑制，促进CBFs及其下游基因表达，从而增强植物抗冻性。同时SL通过诱导SMXLs蛋白降解，促进花青素积累，进一步提高植物抗冻性 (Wang et al., 2020)。该研究为全面阐明独角金内酯在植物耐低温的作用及其分子调控机制提供了重要的理论基础。

该研究在中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室完成，王西博士为本论文的第一作者，杨淑华教授为通讯作者。中国农业大学李卓洋博士、张晓燕博士、施怡婷教授、巩志忠教授以及北京农学院刘子妍副教授参与了研究工作。该研究还得到北京大学瞿礼嘉教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究员、王永红研究员、王冰研究员及中国农业大学杨光辉教授的大力帮助。该研究得到国家自然科学基金和博新计划的支持。

参考文献

Jiang BC, Shi YT, Zhang XY, Xin XY, Qi LJ, Guo HW, Li JG, and Yang SH (2017) PIF3 is a negative regulator of the CBF pathway and freezing tolerance in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 114: E6695-E6702

Li H, Ye K, Shi Y, Cheng J, Zhang X, and Yang S (2017) BZR1 positively regulates freezing tolerance via CBF-dependent and CBF-independent pathways in Arabidopsis. Mol Plant 10: 545-559

Shi Y, Tian S, Hou L, Huang X, Zhang X, Guo H, and Yang S (2012) Ethylene signaling negatively regulates freezing tolerance by repressing expression of CBF and type-A ARR genes in Arabidopsis. Plant Cell 24: 2578-2595

Wang L, Wang B, Yu H, Guo H, Lin T, Kou L, Wang A, Shao N, Ma H, Xiong G, Li X, Yang J, Chu J, and Li J (2020) Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis. Nature 583: 277-281

Ye K, Li H, Ding Y, Shi Y, Song C, Gong Z, and Yang S (2019) BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE2 negatively regulates the stability of transcription factor ICE1 in response to cold stress in Arabidopsis. Plant Cell 31: 2682-2696

论文链接：

https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embj.2022112999