武汉大学吕应堂团队揭示生长素外输载体PIN3参与渗透胁迫抑制根系生长的分子机制

2021年8月22日，New Phytologist在线发表了武汉大学生命科学学院吕应堂教授团队题为“Osmotic stress represses root growth by modulating the transcriptional regulation of PIN-FORMED3”的研究论文。该研究发现渗透胁迫诱导HD-ZIP II转录因子HAT2表达，HAT2通过启动子结合而直接抑制PIN3转录，进而导致生长素活性降低以及根系生长抑制。

研究背景

在干旱、寒冷和冻结环境下，土壤水分可用性因溶质浓度的变化而改变，并对植物造成渗透胁迫，进而影响根系结构，其响应包括根系分生组织减小以及生长抑制。但是这种抑制是如何发生的，在很大程度上还不清楚。生长素是根系生长发育的重要调控因素，且已有研究为生长素在渗透胁迫下直接、快速地调控根系生长提供了证据[1，2]。由生长素外运蛋白PIN-FORMED（PIN）介导的生长素极性运输（PAT）也因此受到广泛关注。然而，对于PAT如何在分子水平上对渗透胁迫作出响应仍知之甚少。之前研究表明，HD-ZIP II转录因子家族成员HOMEODOMAIN ARABIDOPSIS THALIANA2（HAT2）受生长素诱导，并参与调控生长素介导的形态建成[3，4]。HAT2主要通过启动子结合来抑制靶基因表达，进而对干旱等胁迫作出响应，但HAT2是否参与渗透胁迫诱导的根系生长抑制仍有待确认。

主要内容

量化检测显示，干旱和甘露醇添加处理引发的渗透胁迫均能够显著诱导拟南芥根中HAT2表达。表型观察发现，甘露醇以浓度依赖性方式抑制WT和hat2-1功能缺失突变体的根系生长。但与野生型植物相比，hat2-1对不同浓度甘露醇处理的敏感性较低，且渗透胁迫介导的根系分生组织长度和细胞数目抑制得到明显缓解。利用CRISPR-Cas9获得的HAT2敲除突变体表型与hat2-1类似，表明HAT2是渗透胁迫介导的根分生组织生长抑制所必需的。将hat2-1与有丝分裂细胞周期蛋白CYCB1的GUS报告株系进行杂交，通过GUS活性检测表，渗透胁迫通过HAT2抑制分生组织细胞的分裂，进而抑制根系分生组织生长。

利用生长素响应性DR5::GUS标记株系对生长素信号进行可视化分析，结果发现在渗透胁迫下，WT和hat2-1两株系的根尖GUS活性均显示下调，但与WT DR5::GUS株系相比，hat2-1 DR5::GUS株系的GUS活性抑制则有所缓解，结合IAA含量检测结果表明渗透胁迫通过HAT2抑制根系的生长素响应和积累（图1）。另外，35S启动子驱动HAT2过表达抑制了根中生长素的积累，导致根长和分生组织变短。

图1.渗透胁迫通过HAT2抑制根分生组织生长

PIN3等生长素外运蛋白介导的PAT负责根端生长素梯度和最大值的建立。RT-qPCR分析和荧光观察显示，Pro35S::HAT2株系中PIN3的转录和表达显著降低。ChIP和EMSA实验结果表明，HAT2通过直接与PIN3启动子结合而抑制其表达。为进一步研究两者作用的分子机制，首先对pin3-4突变体进行渗透胁迫处理，通过根长、分生组织长度和细胞数量比较观察发现pin3-4根系对对甘露醇处理的敏感性降低。在渗透胁迫条件下，PIN3在hat2-1中的表达水平明显高于WT，PIN3-GFP在hat2-1 PIN3::PIN3-GFP中的荧光强度也明显高于PIN3::PIN3-GFP株系（图2），表明渗透胁迫通过HAT2下调PIN3的表达。综合以上结果表明，渗透胁迫诱导的HAT2直接抑制PIN3表达以抑制根分生组织的生长。

图2. 渗透胁迫通过诱导的HAT2抑制PIN3表达

参考文献：

1. Naser V, Shani E. 2016. Auxin response under osmotic stress. Plant Mol Biol 91(6): 661-672.

2. Korver RA, Koevoets IT, Testerink C. 2018. Out of Shape During Stress: A Key Role for Auxin. Trends Plant Sci 23(9): 783-793.

3. Swarup R, Parry G, Graham N, Allen T, Bennett M. 2002. Auxin cross-talk: integration of signalling pathways to control plant development. Plant Mol Biol 49(3-4): 411-426.

4. Huang D, Wu W, Abrams SR, Cutler AJ. 2008. The relationship of drought-related gene expression in Arabidopsis thaliana to hormonal and environmental factors. J Exp Bot 59(11): 2991-3007.