PNAS：ABA调控植物次生细胞壁形成的机制，激酶SnRK2磷酸化修饰NST1

来源：BioArt植物

植物细胞被封闭在细胞壁中，进行伸长的细胞具有薄的主壁，主要由纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）和果胶（pectin）组成【1】。某些特定类型的细胞在停止延伸后会沉积较厚的次生细胞壁（secondary cell walls, SCWs），从而赋予这些细胞以独特的功能，例如机械支持、水和养分的长距离传导、对生物胁迫的抵抗力、荚果的脱落和花粉的释放等【2】。SCWs主要由纤维素，木质素（ lignin）和半纤维素组成【3】。增厚的SCWs的形成受到分级转录网络的严格调控【4】。在此调控网络中，包含NAC结构域的转录因子（ transcription factors, TFs）在上游发挥作用，可以调节下游多个TFs，进而调节SCWs沉积的合成基因【5】。但是，参与调控第一层TFs的上游信号仍然未知。

SCWs沉积的过程受多种外源性（光周期和温度）和内源性（植物激素）因素的调控。在辐射松和樟子松中，晚材的形成与植物激素脱落酸（abscisic acid, ABA）浓度的增加有关【6, 7】。在拟南芥中，ABA处理导致与SCW相关NACs的表达上调【8】，表明ABA参与调控SCWs的形成，但其确切的分子机制仍不清楚。

近日，美国北德克萨斯大学（University of North Texas）Richard A. Dixon团队在PNAS发表了题为Abscisic acid regulates secondary cell-wall formation and lignin deposition in Arabidopsis thaliana through phosphorylation of NST1的研究论文。该研究发现激酶SnRK2通过磷酸化修饰NST1来调控次级细胞壁的形成，由此揭示了ABA调控次级细胞壁形成的机制。

拟南芥ABA2编码一个短链脱氢酶。ABA2功能丧失会导致植物和种子发育各个阶段的内源ABA水平降低。SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6是ABA信号途径的正调控因子，snrk2.2/3/6三突变体对ABA不敏感。为研究ABA的含量和ABA信号转导的变化是否影响SCWs沉积和木质化，作者首先测定了aba2-1和snrk2.2/3/6中的木质素含量。在aba2-1突变体的木质部导管和纤维中，SCWs沉积和木质化发生了轻微的改变；而在snrk2.2/3/6中，SCWs沉积和木质化表现出严重的缺陷。为分析aba2-1和snrk2.2/3/6中SCWs组分变化的原因，作者测定了花序茎中木质素和纤维素的总含量。与WT相比，aba2-1和snrk2.2/3/6中的木质素和纤维素含量显著降低，并且snrk2.2/3/6中的总木质素和纤维素含量低于aba2-1。因此，ABA的生物合成或ABA信号转导的破坏可导致SCWs沉积和组成的改变。

那么，ABA的合成或信号转导是如何调控SCWs沉积的？为回答这个问题，作者检测了aba2-1和snrk2.2/3/6中SCW相关基因的转录水平。结果表明，与WT相比，所选的13个基因的表达量在aba2-1和snrk2.2/3/6中都显著地降低。NCED表达是ABA累积的主要决定因素，而NCED的过表达会导致ABA水平升高。在NCED6-OX和NCED9-OX株系中，导管和纤维细胞中的SCWs没有明显变化。然而，所检测的13个基因在NCED6-OX和NCED9-OX中均上调表达。在snrk2.2 /3/6中，SCWs基因转录水平与表型之间的不一致，表明转录后修饰可能参与调控ABA介导的SCWs沉积。

为确定是否存在SnRK2的底物与SCWs的形成相关，作者以SnRK2.6为靶蛋白进行了酵母双杂交筛选。在阳性克隆中，NAC转录因子家族的一员，NAC SECONDARY WALL THICKENING PROMOTING FACTOR 1（NST1）引起了作者的兴趣。经验证，NST1与SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6在细胞核中相互作用。基于PhosPhAt数据库的分析，发现NST1包含以Ser-316为磷酸化位点的磷酸化肽段 ([pS]PYPSLNR)。体外的激酶实验也证明，SnRK2.2/3/6可以在Ser-316磷酸化修饰NST1。

进一步的，为确定NST1的磷酸化是否影响SCWs的增厚，作者在nst1/snd1双突变体的背景下构建了由自身启动子驱动的NST1或NST1（S316A）的转基因植株。表型观察发现，与WT或snd1 单突变体相比，nst1/snd1展现出下垂茎的表型；pNST1：NST1 nst1/snd1可以恢复双突变体的表型至正常水平，而pNST1：NST1（S316A）nst1/snd1仍然展现出下垂茎的表型。这表明，NST1的磷酸化正调控拟南芥中纤维细胞中SCWs的增厚。

已有的研究表明，NST1通过结合MYB46和MYB83的启动子来激活它们的表达。因此，作者利用双荧光素酶报告基因系统检测了NST1的磷酸化是否影响其激活能力。结果显示，NST1可以激活MYB46和MYB83的表达，而S316A对MYB46和MYB83的激活分别降低了约75％和60％。体内的数据表明，NST1在WT的原生质体中对两个靶基因的激活能力显著高于在snrk2.2/3/6的原生质中。另外，SnRK2.2/3/6介导的NST1转录能力的调控需要ABA。这些结果表明，SnRK2.2/3/6介导的NST1磷酸化以ABA依赖的方式调控SCWs的增厚。

ABA调控次级细胞壁形成的作用模式图

总之，该研究综合运用生化和遗传的方法发现了ABA信号通路中的激酶SnRK2s可通过Ser-316磷酸化NST1，进而调控植物次生细胞壁的形成，且该位点在双子叶植物中的NST1蛋白中非常保守，说明了该机制的普遍性。

参考文献

1. H. Z. Wang, R. A. Dixon, On-off switches for secondary cell wall biosynthesis. Mol. Plant 5, 297–303 (2012).

2. J. Barros, H. Serk, I. Granlund, E. Pesquet, The cell biology of lignification in higher plants. Ann. Bot. 115, 1053–1074 (2015).

3. M. Kumar, L. Campbell, S. Turner, Secondary cell walls: Biosynthesis and manipulation. J. Exp. Bot. 67, 515–531 (2016).

4. M. Taylor-Teeples et al., An Arabidopsis gene regulatory network for secondary cell wall synthesis. Nature 517, 571–575 (2015).

5. R. Zhong, C. Lee, J. Zhou, R. L. McCarthy, Z.-H. Ye, A battery of transcription factors involved in the regulation of secondary cell wall biosynthesis in Arabidopsis. Plant Cell 20, 2763–2782 (2008).

6.P. Jenkins, K. Shepherd, Seasonal changes in levels of indole-acetic acid and abscisic acid in stem tissues of Pinus radiata. N. Z. J. Bot. 4, 511–519 (1974).

7. T. J. Wodzicki, A. B. Wodzicki, Seasonal abscisic acid accumulation in stem cambial region of Pinus silvestris, and its contribution to the hypothesis of a late-wood control system in conifers. Physiol. Plant. 48, 443–447 (1980).

8. M. K. Jensen et al., The Arabidopsis thaliana NAC transcription factor family: Structure-function relationships and determinants of ANAC019 stress signalling. Biochem. J. 426, 183–196 (2010).