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水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性

 

基本信息

题目:Abscisic acid inhibits rice protein phosphatase PP45 via H2O2 and relieves repression of the Ca2+/CaM-dependent protein kinase DMI3
期刊:Plant Cell
客户单位:南京农业大学
物种:水稻
应用:WB Co-IP
ABclonal合作技术:DMI3、PP45和DMI3T263(p)抗体定制

 

1、研究背景

水稻是我国乃至全球的重要粮食作物,也是用水量最多的作物。水稻淹水栽培耗水量巨大,干旱影响水稻生长,导致作物减产,若干旱持续发生,灾情发展就更加严重。提高水稻自身抗旱能力,是农业科学家一直研究的问题。

前期研究表明水分胁迫是限制植物生长发育、影响作物产量的至关重要的胁迫因子。植物响应水分胁迫的最重要的反应之一是迅速积累植物激素脱落酸(ABA)。ABA能够通过诱导气孔关闭、调节基因表达、诱导渗透调节物质的积累以及增强抗氧化防护来提高植物响应环境胁迫的能力,也就是说能够提高水稻在缺水情况下的生存能力。

Ca2+是ABA信号转导中的重要的第二信使,而CCaMK(Ca2+/CaM依赖型蛋白激酶)是Ca2+的感受器之一。受ABA信号活化的CCaMK(DMI3)可以增强水稻抵抗水分胁迫和氧化胁迫的能力。然而,ABA活化DMI3的机理尚不清楚。

《水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性》

南京农业大学生命科学学院蒋明义教授课题组在国际权威学术期刊The Plant Cell发表了题为“Abscisic acid inhibits rice protein phosphatase PP45 via H2O2and relieves repression of the Ca2+/CaM-dependent protein kinase DMI3”研究论文,该研究报道了水稻中ABA信号转导的一个正调控因子CCaMK被ABA活化的机理,与此同时,The Plant Cell以“A partnership for ABA responses”为题发表编辑评论,将该工作作为亮点予以介绍。

《水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性》

 

2、研究内容及结果

1、DMI3与蛋白磷酸酶PP45存在互做

研究团队通过酵母双杂筛选找到一个DMI3的互作蛋白–蛋白磷酸酶PP45,进一步通过GST pull-down,双分子荧光互补BiFC和免疫共沉淀Co-IP实验在体内和体外同时证明DMI3和PP45存在互做,并定位于细胞核。

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Figure 1. PP45 Interacts with DMI3 both In Vitro and In Vivo

2、ABA和H2O2抑制PP45与DMI3互作

体外通过酵母双杂交和pull-down实验表明,PP45与DMI3相互作用受到H2O2的阻止,但ABA并不影响互作;通过内源性Co-IP实验发现H2O2与ABA都会阻止PP45与DMI3的互作。通过CRISPR/Cas9基因敲除实验证实ABA信号通路诱导产生的H2O2的确在体内直接影响互作,表明ABA在体内通过诱导H2O2的产生影响互作。

《水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性》

Figure 2. ABA and H2O2 Inhibit the Interaction of PP45 and DMI3.

3、ABA和H2O2暂短下调PP45蛋白表达

在ABA、H2O2的处理过程中,PP45的表达量与活性均发生明显的下调。尤其是一系列的活性测试证明,磷酸化活性是PP45受到最严重影响的活性。

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Figure 3. ABA and H2O2 Transiently Down-Regulate PP45

4、PP45负调节DMI3 自磷酸化活性

通过选择位点、验证去磷酸化等一系列实验,表明在ABA 信号转导中,PP45 作用于DMI3 的Thr263位点,负调节DMI3 自磷酸化活性,进而去磷酸化DMI3。点突变实验表明Thr-263去磷酸化的DMI3无法结合下游调控因子CaM,进而降低水稻抵抗水分胁迫和氧化胁迫的能力。

《水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性》

《水稻“哼哈二将”双负调节抗逆性》

Figure 4. Thr-263 Autophosphorylation Is Required for the Activation of DMI3 and the Response Mediated by DMI3

5、PP45形成二聚体失活释放DMI3

进一步研究发现ABA一方面降低PP45的基因表达,从而使PP45蛋白含量降低,更重要的一方面是ABA诱导产生H2O2,H2O2作用于PP45的Cys350和Cys428,使其形成分子间二硫键,导致PP45形成二聚体而失活。失活的PP45释放DMI3,使DMI3自磷酸化,自磷酸化的DMI3结合CaM磷酸化底物从而转导传递ABA信号。

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Figure 5. PP45C350S/C428S Abolishes the Effect of H2O2 on the DMI3-PP45 Interaction and on PP45-Mediated Inactivation of DMI3

文章小结

该研究结果揭示了DMI3 在ABA 信号转导中的一个新的互作蛋白PP45,阐明ABA 信号转导中DMI3 与PP45 的互作机制,进而揭示ABA 信号转导中一条新的DMI3 活化途径。这一研究的开展不仅有助于人们对植物细胞CCaMK参与植物抗逆反应的功能与作用机制的认识,进而拓展人们对逆境下ABA 信号转导机理的理解,而且对于利用分子生物学手段提高作物的耐逆性具有重要的指导意义。

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解析文献

Abscisic acid inhibits rice protein phosphatase PP45 via H2O2 and relieves repression of the Ca2+/CaM-dependent protein kinase DMI3

 

参考文献

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