研究表明HY5是光调节气孔发育的关键参与者
2021年6月7日，Nature Communications在线发表了新加坡国立大学生物科学系On Sun Lau教授课题组完成的题为“Light regulates stomatal development by modulating paracrine signaling from inner tissues”的研究论文。该研究发现存在于叶肉细胞中的光形态建成关键调控因子Elongated HYPOCOTYL 5（HY5）也是光调节气孔发育的关键参与者，由此确立了光信号与气孔发育之间跨组织层面（叶肉-表皮）的分子联系，为环境信号因子协调组织类型生长的网络机制提供了新见解。
研究背景
植物发育的过程和模式产生是由内在和外在因素及其之间的相互作用共同决定的。气孔是植物气体交换的基本孔道，它的产生具有极强的可塑性，并成为在细胞谱系水平上研究内/外因素相互作用的优选系统。对于植物来说，光是关键的外部因素，它能够促进气孔发育以及气孔主控调节因子SPEECHLESS（SPCH）的积累。然而，目前尚不清楚光信号是如何传递以影响SPCH的。
主要结果
对不同光强度处理下子叶下表皮的气孔密度（SD）和气孔指数（SI）进行分析发现，WT的SD和SI都与光强度呈正相关，即在低光下呈最低数值，在较高光强度下数值增加。hy5突变体的SD和SI在所有光照条件下都显著低于WT。相反的是，HY5过表达株系的气孔数量明显高于WT，表明HY5正调控光介导的气孔发育。由于气孔源自气孔谱系细胞，进一步对幼苗早期气孔谱系细胞群进行比较发现，HY5同样在其中发挥正调控作用，说明HY5转录因子是促进光响应条件下气孔发育的关键因子。
bHLH转录因子SPCH是气孔前体特化和增殖所必需的主控调节因子。本研究发现SPCH表达受光的诱导，而光诱导的SPCH积累在hy5突变体中严重受损（图1），表明HY5在光促进的SPCH表达过程中起关键作用，且HY5作用于SPCH的上游。
图1. HY5调控光诱导的SPEECHLESS积累
已知SPCH蛋白被抑制性MAPK组件磷酸化和下调，HY5可能通过抑制MAPK信号来促进SPCH积累和气孔产生。编码激发气孔发育分泌肽的STOMAGEN能够抑制MAPK组件，从而稳定SPCH，因此推测STOMAGEN可能是受HY5影响的靶标。表达分析结果显示，HY5正调控STOMAGEN的表达并参与其对光的响应。表达报告分析发现，HY5蛋白存在于STOMAGEN表达的叶肉中，表明HY5可能调控这些细胞内的STOMAGEN表达。经EMSA、ChIP-qPCR等进一步验证发现，光诱导的HY5可以在叶肉细胞层中积累，并直接结合和激活STOMAGEN。
通过构建HY5叶肉特异性表达载体并将其导入hy5突变体中，结果发现其在很大程度上挽救了hy5的气孔缺陷表型，且在低光和高光条件下将气孔数量恢复至WT水平（图2）。这些结果表明叶肉表达的HY5足以促进气孔发育，并且可能在介导光依赖的气孔响应中起重要作用。
图2. 叶肉表达的HY5能够驱动气孔发育
表型分析发现，STOMAGEN敲降（amiR-stomagen）和功能缺失分别显示气孔数量的普遍减少和增加。除此之外，amiR-stomagen和STOMAGEN过表达株系对光强度变化的响应性降低。与WT不同的是，它们在低光和高光下的SI无显著差异。这表明STOMAGEN 对光调控过程至关重要。遗传关系分析显示，HY5在气孔发育调控中的功能依赖于STOMAGEN，即HY5作用于STOMAGEN上游。
一图解文
光抑制COP1以促进HY5积累。在叶肉中，HY5与STOMAGEN启动子结合并诱导其表达。STOMAGEN的增加反过来抑制表皮气孔谱系的抑制性信号通路，从而促进SPCH的积累和气孔数量的增加。因此，HY5-STOMAGEN 模块可能代表了允许光信号调节SPCH的必要环节。此外，作者指出由于叶肉细胞是光合作用的主力，因而该模块可能使内部组织中的细胞在被光激活时向表皮气孔的产生发出信号，以进行碳的吸收。
图3. HY5-STOMAGEN模块促进光介导气孔发育的模型
