Current Biology | 中山大学孙宇飞课题组揭示陆地植物ABA受体趋同演化机制

近日，中山大学农业与生物技术学院孙宇飞课题组在Current Biology上发表了题为Abscisic acid receptors functionally converge across 500 million years of land plant evolution的研究论文。该研究阐明了脱落酸（Abscisic acid, ABA）受体PYR/PYL/RCAR蛋白在不同陆生植物类群中通过不同的轨迹趋同演化，实现关键生理功能的高度保守性，以帮助植物适应陆生干旱环境的机制。

脱落酸是植物响应干旱的关键激素，在植物从水生向陆生的进化过程中起到关键的作用。ABA信号转导模块由高度保守的ABA受体PYR/PYL/RCAR蛋白与共受体PP2C磷酸酶组成，PYR/PYL/RCAR蛋白通过结合ABA并抑制下游PP2C活性，激活ABA响应。该课题组之前的研究表明，植物ABA的感知起源于陆地植物与双星藻共同祖先的PYL同源蛋白，这种古老的PYL拥有组成型抑制PP2C的基础活性，但并不依赖ABA （Sun et al., 2019, PNSA https://doi.org/10.1073/pnas.1914480116） 。而被子植物（如拟南芥）中PYLs发生扩张与功能分化，出现了基础活性低且高度依赖ABA激活的二聚体PYLs亚家族。但是其他陆生植物类群（如苔藓）PYLs是否具有功能趋同性尚不明确。

该研究通过系统发育分析，发现苔藓中PYLs发生了独立的扩张，形成了三个苔藓特有的亚家族。酵母双杂交与PP2C磷酸酶活性抑制试验表明，苔藓PYLs具有低基础活性与高度的ABA依赖性。与被子植物不同，苔藓的PYLs并不形成二聚体，表明苔藓PYLs通过不同方式获得了响应ABA的能力。进一步的研究发现苔藓PYLs通过一些特异的氨基酸变异降低了受体的基础活性，提高了ABA响应能力，表明苔藓PYLs通过独特的进化轨迹获得了趋同的功能。最后，该研究发现，在被子植物二聚体PYLs中引入苔藓PYLs特异的氨基酸突变会极大破坏其ABA响应能力，表明苔藓与被子植物的这两种进化轨迹是互斥。

ABA receptors from all Bryophytina-specific subfamilies display a high degree of ABA dependency despite being monomeric.

综上所述，该研究揭示了PYLs在5亿年陆地植物演化中的功能趋同进化机制，为理解植物逆境响应通路的演化保守性与跨物种功能适应性提供新视角，并为通过基因工程改造ABA受体，提高植物抗旱性提供理论基础。

Convergence of ABA receptors toward increased ABA dependency across the deep divergence between mosses and angiosperms.

中山大学农业与生物技术学院孙宇飞副教授和以色列希伯来大学Assaf Mosquna教授为该论文共同通讯作者。希伯来大学博士生Gil Zimran为第一作者，中山大学农业与生物技术学院硕士生张泓，利兹大学Andrew C. Cuming教授 ,瓦伦西亚理工大学Jorge Lozano-Juste教授, 特拉维夫大学Maayan Gal教授, 哥廷根大学Jan de Vries教授参与了该研究。该项目受到了国家自然科学基金、深圳市科技创新计划、以色列科学基金会等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.12.043