PNAS、Plant Cell两篇论文同时报道转录因子URI/bHLH121调控植物铁稳态的分子机制

原创 BAP BioArt植物

铁是一种重要的微量营养元素，对于植物的生长发育必不可少。作为300多种酶的辅因子，铁在呼吸作用，光合作用等生理过程发挥着不可替代的作用。虽然铁在土壤中大量存在，但大部分以难溶的+3价的氢氧化铁的形式存在。为了增加铁的溶解度，植物一方面通过H+/ATP载体向根际释放质子酸化土壤【1】，另一方面释放香豆素等物质作为螯合剂，形成铁的螯合物【2】。Fe3+会被锚定在质膜的还原酶FRO2（FERRIC REDUCTION OXIDASE2）还原成Fe2+【3】，接着被铁转运蛋白IRT1 （IRON-REGULATED TRANSPORTER1）转运进根表皮【4】。但过量的铁会通过芬顿反应（Fenton reaction）产生有害的羟基自由基，导致铁中毒【5】。所以植物体的铁稳态（Fe homeostasis）必须受到精细的调控，避免铁缺乏或者铁中毒。

铁的吸收过程已被很好的阐释，但植物响应缺铁信号的分子机制，目前还知之不多。bHLH 转录因子FIT（FER-like iron deficiency-induced transcription factor）在调控铁吸收相关基因表达中发挥着重要功能，FIT与Ib亚组的bHLH转录因子 bHLH38/39/101组成二聚体激活FRO2及IRT1的表达【6】。bHLH38/39/101的转录又受到IVc亚组的bHLH转录因子bHLH104/105 (ILR3) /115的调控【7】。但是这些IVc亚组bHLH转录因子的表达对于缺铁信号并不响应，暗示存在其他未知的因子参与响应缺铁信号。

11月27日，美国达特茅斯学院的Mary Lou Guerinot课题组和法国蒙彼利埃大学的Christian Dubos课题组在不同期刊独立报道了拟南芥转录因子URI/bHLH121在响应铁缺乏信号，维持植物铁稳态方面的重要功能。其中Mary Lou Guerinot课题组的结果以The iron deficiency response in Arabidopsis thaliana requires the phosphorylated transcription factor URI为题发表于杂志The Proceedings of the National Academy of Sciences（以下简称PNAS文章），Christian Dubos课题组的结果以The Transcription Factor bHLH121 Interacts with bHLH105 (ILR3) and its Closest Homologs to Regulate Iron Homeostasis in Arabidopsis为题发表于杂志The Plant Cell（以下简称PC文章）。

缺铁处理会导致铁转运蛋白IRT1表达的上调，PNAS文章通过遗传筛选获得了一个缺铁状态下IRT1上调被抑制的突变体，将突变基因命名为URI（Upstream Regulator of IRT1），通过图位克隆将其定位为转录因子bHLH121。而PC文章则是通过筛选bHLH105 (ILR3)的互作蛋白找到了bHLH121。突变体uri/bhlh121在缺铁培养基培养时表现严重黄化，在土壤中栽培不能成活，但这些表型可以被外源添加的活性铁所恢复。转录组分析表明，缺铁状态下，uri/bhlh121中大量铁吸收相关的基因不能正常的诱导，进一步的ChIP-seq及ChIP-qPCR实验表明URI/bHLH121直接结合在转录因子（bHLH39, bHLH101, MYB10, MYB72及PYE）基因，铁转运关键基因（IRT1, FRO3, OPT3, NRAMP4及NAS4）及铁稳态维持基因（IMA1, BTS, BTSL1, ORG1及CGLD27）的启动子，在缺铁时上调这些基因的表达。并且PNAS文章表明在uri/bhlh121突变体中过表达bHLH38/39/100/101后可以恢复uri/bhlh121的表型。（注：PC文章显示过表达bHLH38后不能恢复uri/bhlh121表型）。

图1：uri突变体不能响应缺铁信号

研究者继续研究了URI/bHLH121对于缺铁信号的响应机制，发现URI/bHLH121的转录及蛋白水平对于铁信号均不响应。但是在缺铁状态下，URI/bHLH121的磷酸化修饰水平增加。磷酸化的URI/bHLH121增强了其与IVc 亚组bHLH转录因子ILR3 及 bHLH115的互作，共同激活Ib亚组的bHLH转录因子bHLH38/39/101的表达；在铁丰富时，磷酸化的URI/bHLH12会被E3泛素连接酶BTS进行多泛素化修饰介导其降解，防止植物吸收过量的铁。PC文章还揭示了铁信号会改变URI/bHLH12蛋白的组织定位，在铁丰富时根部的URI/bHLH12蛋白定位于中心柱和内皮层，而当铁缺乏时URI/bHLH12定位于根被皮及皮层部位。

图2：URI响应缺铁信号的工作模型

综上所述，两个研究组独立报道了转录因子URI/bHLH121在响应缺铁信号，调控铁稳态方面的重要功能。虽然具体结果存在部分差异，但都揭示了缺铁状态下，URI/bHLH121与IVc亚组的bHLH转录因子bHLH104/105 (ILR3)/115结合后激活Ib亚组的bHLH转录因子 bHLH38/39/101的表达，进一步调控其他铁吸收相关基因表达的重要功能。研究结果加深了我们对植物响应缺铁信号的分子机制的认识。

参考文献：

[1] B. Halliwell, J. M. C. Gutteridge, Biologically relevant metal ion-dependent hydroxyl radical generation. An update. FEBS Lett. 307, 108–112 (1992).

[2] S. Santi, W. Schmidt, Dissecting iron deficiency-induced proton extrusion in Arabidopsis roots. New Phytol. 183, 1072–1084 (2009).

[3] I. A. Stringlis, R. de Jonge, C. M. J. Pieterse, The age of coumarins in plant-microbe interactions. Plant Cell Physiol. 60, 1405–1419 (2019).

[4] N. J. Robinson, C. M. Procter, E. L. Connolly, M. L. Guerinot, A ferric-chelate reductase for iron uptake from soils. Nature 397, 694–697 (1999).

[5] D. Eide, M. Broderius, J. Fett, M. L. Guerinot, A novel iron-regulated metal transporter from plants identified by functional expression in yeast. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93, 5624–5628 (1996).

[6] E. P. Colangelo, M. L. Guerinot, The essential basic helix-loop-helix protein FIT1 is required for the iron deficiency response. Plant Cell 16, 3400–3412 (2004).

[7] J. Zhang et al., The bHLH transcription factor bHLH104 interacts with IAA-LEUCINE RESISTANT3 and modulates iron homeostasis in Arabidopsis. Plant Cell 27, 787–805(2015).

论文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/11/26/1916892116

http://www.plantcell.org/content/early/2019/11/27/tpc.19.00541

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