南京农大张阿英团队揭示β-1,4-半乳聚糖加重拟南芥盐敏感性的分子机制

来源：植物生物学

2020年12 月1 日，南京农业大学张阿英团队在《Molecular Plant》发表了题为CellWall β-1,4-galactan Regulated by BPC1/BPC2-GALS1 Module Aggravates SaltSensitivity in Arabidopsis thaliana的研究论文。该研究揭示了β-1,4-半乳聚糖在加剧盐敏性的分子机制。盐胁迫通过上调编码β-1,4-半乳聚糖合酶的GALACTANSYNTHASE 1（GALS1）的表达，诱导了根细胞壁中β-1,4-半乳聚糖的积累。进一步分析表明，转录因子BPC1 / BPC2通过直接结合GALS1的启动子，抑制GALS1表达和β-1,4-半乳聚糖积累，正调控拟南芥的耐盐性。综上所述，本论文揭示了BPC1 / BPC2-GALS1模块通过调节的β-1,4-半乳聚糖加重了拟南芥的盐敏感性。

盐胁迫是主要的非生物胁迫。盐度严重损害了植物的生长并限制了农业生产力。植物细胞壁的动态变化和重排是对盐胁迫的重要响应，但对特定细胞壁成分在响应中的生物学重要性的了解相对较少。β-1,4-半乳聚糖是鼠李半乳糖醛酸聚糖I（RGI）的侧链，后者是果胶的主要成分（Atmodjo et al., 2013; Harholt et al., 2010）。β-1,4-半乳聚糖是由GALACTAN SYNTHASE基因编码的β-1,4-半乳聚糖半乳糖基转移酶直接合成的，其中拟南芥中有3种，分别是GALS1，GALS2和GALS3。植物中β-1,4-半乳聚糖具有很高的保守性，意味着它一定发挥着重要的作用，但是关于β-1，4-半乳聚糖参与植物对非生物胁迫的响应尚未报道。为了研究根细胞壁在植物对盐胁迫的响应中的潜在作用，我们首先确定了根细胞壁成分对盐胁迫的响应。盐胁迫可以显著提高 D-galactose (D-Gal)的含量，而且D-Gal的增高是由于果胶中β-1,4-半乳聚糖含量的增加导致的。

先前的研究表明，三种半乳聚糖合酶蛋白（GALS1，GALS2和GALS3）参与β-1,4-半乳聚糖的生物合成。为了研究盐中诱导根中β-1,4-半乳聚糖的积累涉及哪些GALS基因，作者检测NaCl处理下GALS1，GALS2和GALS3的表达，只有GALS1的表达被显著诱导。GUS染色的结果也证明了只有GALS1特异性被诱导表达。从遗传的角度分析，gals1突变体的主根长度在盐胁迫下长于野生型的，表明GALS1负调控拟南芥的耐盐性。

Fig. 1盐胁迫特异性诱导GALS1的表达。在盐胁迫下，gals1的主根长于野生型。

GALS1合成β-1,4-半乳聚糖，而盐胁迫诱导β-1,4-半乳聚糖在根中累积。D-Gal喂养实验常用来探索外源D-Gal对盐反应的影响（Dörmann and Benning, 1998，Seifertet al., 2002）。作者的结果表明，外源D-Gal显着增加了所有测试基因型根中β-1,4-半乳聚糖的积累。进一步的作者发现，外源性D-Gal可以抑制gals1突变体和GALS1过表达株系的主根生长。而且在盐存在的情况下，D-Gal对野生型主根长度的抑制作用弱于GALS1过表达株系，而强于gals1突变体，这与β-1,4-半乳聚糖的水平相关，也进一步证实了盐胁迫和β-1,4-半乳聚糖的相关性。

为了研究盐胁迫下GALS1表达的调控，我们构建了三个GALS1启动子的5'末端缺失突变体，将其与萤火虫荧光素酶融合并转化为Col-0。数据表明，GALS1启动子的1-600bp片段保留了在响应盐胁迫时GALS1启动子的活性和诱导性。为了鉴定调节GALS1表达的假定转录因子，作者进行了酵母单杂交筛库，发现两个转录因子BPC1和BPC2。在酵母中，BPC1 / BPC2可以与GALS1的启动子结合。EMSA实验表明，BPC1和BPC2可以结合生物素标记的GA-rich基序探针。体内的ChIP-qPCR，BPC1 / BPC2蛋白可以与GALS1启动子的P1牢固结合，但不能与启动子的P2区域结合。

Fig. 2 ChIP-qPCR证明BPC1 / 2与GALS1启动子的P1区域结合。

那么BPC1/ BPC2的突变体在盐胁迫是否有表型呢？作者获得了bpc1-1bpc2双突变体。bpc1-1bpc2展现出短于野生型的主根长度，而且GALS1表达量在bpc1-1 bpc2显著提高，表明BPC1/BPC2通过抑制GALS1的表达正调控植株的盐耐受。

Fig. 3 bpc1-1 bpc2展现出短于野生型的主根长度。 

最后作者分析了BPC1/ BPC2和GALS1的遗传关系，bpc1-1 bpc2 gals1-1类似与gals1-1的主根长度，表明BPC1/ BPC2是GALS1的上游调节因子。

Fig. 4 BPC1 / BPC2作用于GALS1的上游。 

南京农业大学张阿英教授为该论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金，江苏省自然科学基金，中国博士后科学基金等基金的资助。

Fig. 5 BPC1 / BPC2工作模式图。

 参考文献

1.Atmodjo, M.A., Hao, Z., and Mohnen, D. (2013). Evolving Views of PectinBiosynthesis. Annu. Rev. Plant Biol. 64: 747-779.

2.Harholt, J., Suttangkakul, A., and Scheller, H.V. (2010). Biosynthesis ofpectin. Plant Physiol. 153: 384-395.

3.Dörmann, P., and Benning, C. (1998). The role of UDP‐glucoseepimerase in carbohydrate metabolism of Arabidopsis. Plant J. 13: 641-652.

4.Seifert, G.J., Barber, C., Wells, B., Dolan, L., and Roberts, K. (2002).Galactose

biosynthesisin Arabidopsis: genetic evidence for substrate channeling from UDP-D-galactoseinto cell wall polymers. Curr. Biol. 12: 1840-1845.