研究发现调控植物热形态建成的重要新因子

刚过去的2022年夏天可以说是气象观测史上最热的夏天，中国全境多地的高温均达到史无前例的历史极端水平。不仅是我国，世界很多国家也出现了破纪录的极端高温天气，甚至在北极圈内都出现了超过32°C的高温。高温极端天气频次的增多和持续时间的增长已使全球气候变暖成为各国面临的共同问题，严重影响农作物生产和世界粮食安全。植物对高温响应的分子机制已成为植物学家非常关注的重要科学问题。植物因不能移动而演化出根据周围环境条件进行可塑性发育来适应生境的策略。在高温下，植物下胚轴和叶柄伸长、叶片生长方向与地面的角度增大，并出现早花等表型，统称为植物的热形态建成。热形态建成有利于植物降低自身温度，更好地适应高温环境。科学家已发现bHLH转录因子PIF4在植物热形态建成中起到关键的调控作用，而PIF4本身也被多个因子严格调控，如转录因子TCP5可增强PIF4转录因子的转录激活作用。然而，PIF4转录因子的精细调控机制仍不十分清楚。

北京大学生命科学学院秦跟基教授课题组与合作者在国际著名学术期刊Molecular Plant在线发表题为“Activation Tagging Identifies WRKY14 as a Repressor of Plant Thermomorphogenesis in Arabidopsis”的研究论文，发现ABT1/WRKY14通过与转录因子TCP5相互作用来精细调控PIF4转录因子的活性，从而控制植物热形态建成，并揭示了WRKY14、TCP5和PIF4形成复杂的调控模块精细微调PIF4的活性使植物响应不同的温度变化。

秦跟基课题组在研究TCP转录因子家族功能时，发现TCP5通过在转录水平和蛋白水平上促进PIF4转录因子功能来调控植物热形态建成。为寻找调控植物热形态建成的新组分，根据高温下植物下胚轴变长这一表型，通过筛选拟南芥T-DNA插入激活突变体库获得了突变体abt1-D。与野生型对照相比，高温下abt1-D的下胚轴不伸长（图1A-1E）。他们通过T-DNA插入位置分析发现，在该突变体中T-DNA插入到ABT1基因的上游启动子区域，并与abt1-D的表型共分离（图1F和1G）。由于T-DNA上带有4个35S启动子的增强子，使得插入位置的下游基因ABT1的表达水平显著增加（图1H），通过用35S启动子过量表达ABT1重现abt1-D的表型实验，证明ABT1在调控植物热形态建成中起到重要作用（图1I-1L）。

图1. 通过T-DNA插入激活突变体筛选发现ABT1基因在调控植物热形态建成中起到关键作用。（A-E）T-DNA插入激活突变体abt1-D具有在高温下不敏感的表型；（F）突变体abt1-D中T-DNA插入位置示意图；（G）T-DNA插入位置与突变体abt1-D的表型共分离；（H）T-DNA插入导致ABT1基因过量表达；（I-L）用35S启动子驱动ABT1可重现abt1-D对高温不敏感的表型

研究者通过生物信息学分析发现，ABT1编码WRKY14，属于植物特有的WRKY转录因子家族。WRKY14的氨基酸序列与WRKY35、WRKY65和WRKY69的氨基酸序列高度相似并属于系统发育树中的同一进化支，但这些WRKY的功能均未知。过量表达ABT2/WRKY35、ABT3/WRKY65或ABT4/WRKY69的转基因株系均表现出和abt1-D类似的对高温不敏感的表型，表明这些基因所编码蛋白的功能相似。他们通过克隆这些基因的启动子并驱动GUS报告基因确定这些基因具有重叠的表达模式，暗示这些基因很可能具有功能冗余性。确实，通过构建abt多重突变体，研究团队发现abt1abt2 abt3abt4四重突变体表现出与abt1-D相反的表型，即对高温更敏感，在高温下的下胚轴更长。研究者进一步通过酵母双杂交、荧光素酶互补和Co-IP等实验，证明了ABT1可以与TCP5相互作用。通过一系列生化实验，研究者揭示了ABT1调控植物热形态建成的分子机制，即ABT1和TCP5相互作用，一方面抑制了TCP5在转录水平上促进PIF4的表达，另一方面通过与PIF4竞争TCP5来抑制PIF4-TCP5转录激活复合体的形成和活性（图2），从而精细调控PIF4转录因子功能和植物对高温的反应。研究者还通过一系列遗传互作实验，证明了ABT1确实与热形态建成的正调控因子PIF4、TCP5和BZR1具有相反的作用，是植物热形态建成中的重要负调控因子。

图2. ABT1基因的工作模型。高温抑制ABT1的表达，ABT1与TCP5相互作用来负调控PIF4的转录以及PIF4-TCP5转录激活复合体的形成和活性

该研究不仅通过正向遗传学筛选发现了调控植物热形态建成的新的负调控因子WRKY14/ABT1，还揭示了一种新的PIF4转录因子的精细调控机制。通过ABT1、TCP5和PIF4之间的协同精细调控，使植物能够响应不同温度，以及不同高温持续的时间来精确调控植物的热形态建成，适应多变的环境温度。

华南农业大学博士生秦文其和北京大学博士生王宁为论文的共同第一作者。华南农业大学吴蔼民教授和秦跟基为论文的共同通讯作者，华南农业大学博士生殷琪和李慧玲副教授也参与了该研究。该研究得到国家杰出青年科学基金（31725005）、国家自然科学基金（31970194）、国家重点研发计划（2017YFA0503800）以及北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室开放课题的资助。