NATURE COMMUNICATIONS|组氨酸激酶MHZ1/OsHK1与乙烯受体作用调节水稻的根系生长

NATURE COMMUNICATIONS|组氨酸激酶MHZ1/OsHK1与乙烯受体作用调节水稻的根系生长

中国科学院大学的研究人员于NATURE COMMUNICATIONSIF:12.121)上发表了一篇题为“Histidine kinase MHZ1/OsHK1 interacts with ethylene receptors to regulate root growth in rice”的研究文献,该文献揭示了组氨酸激酶MHZ1/OsHK1与乙烯受体作用调节水稻的根系生长。

文章来源

背景

乙烯在植物生长发育中起着至关重要的作用。水稻是一种单子叶作物,长期生长在水环境中。乙烯在水稻对缺氧胁迫的适应性反应中起着重要作用,但尚未系统地研究水稻中的乙烯信号传导途径。组氨酸激酶(HK)在植物发育的激素调节中至关重要,但到目前为止,乙烯受体如何传输信号仍不清楚。在这项研究中,我们表征了水稻根系特异性乙烯不敏感突变体MHZ1并发现MHZ1编码水稻组氨酸激酶OsHK1


结果

mhz1表征及基因鉴定

分离出一组水稻乙烯响应突变体,mhz1表现出对乙烯不敏感的根特异性表型。在乙烯中,WT根的长度显著减少,而mhz1-1mhz1-2的根生长没有受到抑制,表明两个突变体的初生根中具有完整的乙烯不敏感表型。进一步鉴定了另外两个等位基因突变体(mhz1-3mhz1-4),综合结果表明mhz1对根生长中的乙烯不敏感。

MHZ1积极调节水稻根部的乙烯响应

1MHZ1积极调节水稻根部的乙烯响应

通过TAIL-PCR鉴定MHZ1基因为LOC_Os06g44410,其他等位基因进一步分析,结果都表明MHZ1对应于LOC_Os06g44410,其编码组氨酸激酶OsHK1

 MHZ1-1绿苗和不同等位基因的乙烯不敏感表型

2MHZ1-1绿苗和不同等位基因的乙烯不敏感表型

MHZ1过表达增强根部的乙烯反应

为了研究MHZ1的基因功能,在野生水稻中过表达MHZ1与野生型相比,高表达的MHZ1-OE系根较短, 1-MCP处理在很大程度上抑制了这些短根表型,表明MHZ1功能需要乙烯受体信号传导。

MHZ1基因表达和GUS染色分析

3MHZ1基因表达和GUS染色分析

进一步研究以确定乙烯响应基因的表达,qPCR分析表明乙烯诱导OsRRA5OsERF002OsRAP2.8的表达在mhz1中被阻断,而这些基因的表达在MHZ1-过表达植株根中显著增强。结果进一步证实了mhz1突变体和MHZ1-OE植物在不同器官和基因表达水平上对乙烯响应不同。


乙烯诱导的MHZ1表达需要OsEIN2OsEIL1

MHZ1转录在根中较多,而在其他器官中较少,这是由乙烯在根中诱导的。乙烯诱导MHZ1需要OsEIN2OsEIL1,并且OsEIL1可以与MHZ1启动子中的ATGTA元素结合,并在烟草瞬时分析系统中激活启动子活性。

乙烯通过将OsEIL1直接与其启动子区域结合来诱导MHZ1表达

4:乙烯通过将OsEIL1直接与其启动子区域结合来诱导MHZ1表达

MHZ1通过OsAHP将磷酰基转移至OsRR21

为研究MHZ1是否具有HK活性,产生了不同的突变蛋白或截短蛋白,并测定了其磷酸化能力。结果表明MHZ1是功能性HK

接下来,研究了MHZ1是否可以将磷酸基团转移到水稻的下游HPtBRR成分中,结果表明,GST-MHZ1可以将磷酸基团转移到OsAHP1OsAHP2而不是OsPHP1OsPHP2OsAHP1OsAHP2中的H79QH80Q突变分别通过GST-MHZ1破坏了它们的磷酸化,表明这些残基很可能是接受磷酰基的位点。进一步研究数据表明,活化的GST-MHZ1可以将其磷酰基转移至OsAHP1/OsAHP2,再转移至下游RR,例如OsRR21

Mhz1介导的磷酸转运途径是乙烯抑制根系生长所必需的

5Mhz1介导的磷酸转运途径是乙烯抑制根系生长所必需的

乙烯信号传导需要MHZ1介导的磷酸化

进一步分析了MHZ1激酶活性及其介导的磷化对于水稻根部乙烯反应是否必不可少。结果表明,MHZ1激酶活性,保守的H375磷酸化位点和D824磷酸基接受位点都是其调节水稻根乙烯反应的功能所必需的。

由于OsAHP1/2OsRR21接受来自MHZ1的磷酰基,因此研究了它们是否参与乙烯信号传导。通过CRISPR/Cas9产生了OsAHP1OsAHP2OsRR21的突变体,并研究了它们的乙烯反应。结果表明,MHZ1-AHP1/2-OsRR21磷信号途径是水稻根部乙烯响应所必需的。

双组分元素分析水稻根系的乙烯反应

6:双组分元素分析水稻根系的乙烯反应

MHZ1OsERS2基因上起作用

遗传分析研究MHZ1如何与乙烯信号通路相互作用。双突变分析表明,MHZ1是受体突变体的乙烯反应表型所必需的。Osers2 的功能获得性突变抑制了根乙烯反应中的MHZ1功能。MHZ1可能在OsERS2功能水平起作用或它们可能形成复合物。

OsERS2功能增强突变体mhz12/ Osers2d鉴定

7OsERS2功能增强突变体mhz12/ Osers2d鉴定

MHZ1与乙烯受体发生物理相互作用并受其抑制

8MHZ1与乙烯受体发生物理相互作用并受其抑制

 

OsERS2MHZ1相互作用以抑制其激酶活性

研究了MHZ1OsERS2之间蛋白相互作用的可能性。酵母双杂交试验表明,共表达OsERS2-CubNubG-MHZ1的酵母细胞能够在选择性培养基上良好生长,这表明MHZ1与酵母细胞中的OsERS2相互作用。水稻原生质体中的GST分析和免疫共沉淀(Co-IP)分析进一步揭示了OsERS2可以和水稻细胞中与MHZ1相互作用。

Osers2d (a)和1-MCP(b)处理加强了MHZ1的膜结合

9Osers2d (a)1-MCP(b)处理加强了MHZ1的膜结合

进一步研究结果表明,OsERS2可能通过其GAF域抑制MHZ1自磷酸化和MHZ1介导的磷酸化。OsERS2Osers2d抑制水稻细胞中的MHZ1组氨酸磷酸化,表明乙烯受体在调节MHZ1激酶活性中的作用。

OsERS2的激酶活性和不同乙烯受体对MHZ1激酶活性的抑制

10OsERS2的激酶活性和不同乙烯受体对MHZ1激酶活性的抑制

MHZ1OsEIN2遗传相互作用

我们进一步研究了MHZ1OsEIN2的遗传关系。OsEIN2-OE部分抑制mhz1 / OsEIN2-OE植株在乙烯中对乙烯不敏感的根系生长, OsEIN2介导的信号途径相比,mhz1/OsEIN2-OE幼苗在中胚轴以上的节上仍有较长的不定根,表明激活的OsEIN2介导的信号通路可以部分恢复mhz1突变体的乙烯反应。

MHZ1和OsEIN2介导的途径的遗传相互作用

11MHZ1OsEIN2介导的途径的遗传相互作用

MHZ1-OEOsein2杂交,以生成Osein2 / MHZ1-OE植物。结果表明,Osein2突变不能完全阻止由MHZ1过表达增强的乙烯反应,这意味着MHZ1可能具有独立于OsEIN2功能而接受来自上游成分(例如乙烯受体)的信号的能力。


结论

研究结果表明,MHZ1 / OsHK1部分独立于OsEIN2介导乙烯响应,,并且被乙烯受体直接抑制,从而揭示了乙烯信号传导对根生长调节的机制细节。我们的数据为水稻中乙烯信号传导的机理提供了有价值的见解,并应有助于改善作物的逆境适应性和相关农艺性状。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究项目和植物基因组学国家重点实验室的支持。

参考文献

1Bleecker, A. B. & Kende, H. Ethylene: a gaseous signal molecule in plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 16, 1–18 (2000).

2Ju, C. L. & Chang, C. Advances in ethylene signalling: protein complexes at the endoplasmic reticulum membrane. AoB Plants 2012, pls031 (2012).

3Merchante, C., Alonso, J. M. & Stepanova, A. N. Ethylene signaling: simple ligand, complex regulation. Curr. Opin. Plant Biol. 16, 554–560 (2013).

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14313-0

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乙烯在植物生长发育中起着至关重要的作用。水稻是一种单子叶作物,长期生长在水环境中。乙烯在水稻对缺氧胁迫的适应性反应中起着重要作用,但尚未系统地研究水稻中的乙烯信号传导途径。组氨酸激酶(HK)在植物发育的激素调节中至关重要,但到目前为止,乙烯受体如何传输信号仍不清楚。在这项研究中,我们表征了水稻根系特异性乙烯不敏感突变体MHZ1,并发现MHZ1编码水稻组氨酸激酶OsHK1。
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