PIF-SAUR模块在黑暗环境下保护下胚轴伸长免受ABA抑制的分子机制

时间:2025年6月29日
来源:SCIENCE ADVANCES

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推荐:研究人员针对ABA(脱落酸)与光信号通路如何协同调控下胚轴伸长这一关键问题展开研究,发现黑暗条件下PIF(光敏互作因子)通过激活SAUR(小生长素上调RNA)基因表达,抑制PP2C.D2磷酸酶活性,从而维持质膜H+-ATPase磷酸化状态,使下胚轴对ABA不敏感。该机制揭示了植物在土壤中萌发时优先保证伸长的生存策略,为作物抗逆育种提供新靶点。

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在自然界中,种子植物萌发后必须快速突破土壤表层获取光照,这一过程依赖于下胚轴的快速伸长。然而环境胁迫信号如脱落酸(ABA)通常会抑制细胞伸长,这便产生了一个关键矛盾:为何处于黑暗胁迫环境中的幼苗下胚轴仍能持续伸长?西班牙的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究,揭示了PIF-SAUR模块通过独特分子机制解除ABA对下胚轴伸长的抑制,为理解植物环境适应策略提供了新视角。

研究采用RNA-seq转录组分析、磷酸化蛋白免疫印迹、多重突变体表型分析等技术,通过比较野生型与pifq(四重PIF突变体)、cop1-4等光信号突变体在黑暗/光照条件下对ABA的响应差异,结合PP2C.D2M331K-GFP等遗传材料,系统解析了调控机制。

【Etiolated hypocotyls elongation is insensitive to exogenous ABA】
实验发现黑暗生长的野生型拟南芥下胚轴对50μM ABA完全无响应,而光照条件下ABA浓度依赖性地抑制伸长。盐胁迫(NaCl)和渗透胁迫(甘露醇/PEG)却能抑制黑暗下胚轴伸长,且ABA受体拮抗剂antabactin不能阻断该效应,证实黑暗特异的ABA不敏感现象。

【Hypocotyl sensitivity to ABA requires an active light signaling pathway】
光信号突变体pifq和cop1-4在黑暗中出现ABA敏感性,qRT-PCR显示ABA信号通路关键基因ABI1、RD29A等在黑暗中被正常诱导,证实ABA信号传递完整但生长响应被PIFs特异性阻断。

【Transcriptional changes associated with hypocotyl elongation responsiveness to ABA】
RNA-seq筛选出1066个ABA下调基因(含23个SAURs)在pifq黑暗组或野生型光照组特异性响应,这些基因富集于细胞壁重构、生长素响应等通路。其中KAT1钾通道、EXPAs扩展蛋白等PIF直接靶标被ABA抑制,暗示PIFs通过转录调控维持伸长程序。

【The expression of direct PIF3 and PIF4 targets is regulated by ABA】
染色质数据验证SAUR9/63、IAA19等生长素相关基因及KAT1等膜转运蛋白为PIF3/4直接靶标,其表达在pifq中受ABA抑制,揭示转录级联调控网络。

【In the dark, SAUR repression of PP2C.D2 render plants insensitive to ABA】
关键实验发现PP2C.D2M331K突变体(无法被SAURs抑制)在黑暗中出现ABA敏感性,免疫印迹显示其质膜H+-ATPase Thr947磷酸化水平受ABA调控。而SAUR19过表达株系则减弱光下ABA敏感性,证实SAUR-PP2C.D2模块的核心作用。

这项研究首次阐明黑暗环境下PIFs通过激活SAURs-PP2C.D2通路维持质膜H+-ATPase活性,使下胚轴"无视"ABA抑制的分子机制。该发现不仅解释了幼苗优先保证出土的生存策略,还为作物育种中平衡抗逆性与生长速率提供了新思路——通过调控PIF-SAUR模块,有望培育出在胁迫环境下仍保持出土能力的新品种。研究同时揭示光依赖的ABA响应存在器官特异性,为植物环境适应机制的进化研究开辟了新方向。

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