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辣椒泛素特异性蛋白酶调控ABA信号转导和脱水抗性

2021.6.21

　　2021年6月18日，The Plant Journal在线发表了韩国中央大学Sung Chul Lee团队题为“Pepper ubiquitin-specific protease, CaUBP12, positively modulates dehydration resistance by enhancing CaSnRK2.6 stability”的研究论文。该研究发现辣椒泛素特异性蛋白酶CaUBP12通过抑制 CaSnRK2.6蛋白降解来正调控ABA信号转导和脱水抗性。

　　脱落酸（ABA）有助于植物对胁迫环境的适应性响应。在干旱条件下，ABA在叶片中积累以诱发胁迫适应机制，包括诱导抗性相关基因的表达、促进气孔关闭以及多种保护性代谢物的积累。SnRK2（Sucrose non-fermenting1-related protein kinase2，蔗糖非酵解型蛋白激酶2）是植物中特有的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在ABA信号途径及植物抵御胁迫中起关键作用。最近研究表明，E3连接酶复合物组分能够调控SnRK2.6蛋白稳定性，但目前对于SnRK2.6的泛素化和降解过程仍缺乏了解。

　　与泛素化蛋白水解途径中的酶类相反的是，去泛素化酶类参与泛素从其底物中的裂解，以调节靶蛋白的活性和稳定性。泛素特异性蛋白酶UBPs属于去泛素化酶类的半胱氨酸蛋白酶家族，包含保守的半胱氨酸、组氨酸和锌指结构域，半胱氨酸和组氨酸残基对酶活性至关重要，而锌指结构参与蛋白互作。据报道，拟南芥AtUBP24负调控ABA信号，ubp24功能缺失表现出ABA和干旱胁迫敏感表型。

　　本研究从脱水处理的辣椒叶片cDNA文库中鉴定出泛素特异性蛋白酶编码基因CaUBP12。过氧化氢、脱水、甘露醇和低温处理均可诱导该基因显著上调表达，并据此推测，CaUBP12参与脱水抗性调控。利用病毒诱导的基因沉默技术获得CaUBP12沉默表达辣椒株系，脱水处理后发现，沉默株系萎蔫程度较对照增加，复水后的存活率显著降低，脱水诱导标志基因的表达也相应显著下调，蒸腾水分的流失明显高于对照。ABA处理后，沉默株系的叶片温度显著降低，气孔开度增大（图1），表明CaUBP12沉默植株对ABA敏感性的降低导致水分流失的增加，从而出现脱水敏感表型。与此相反，CaUBP12过表达拟南芥株系增强了对ABA的敏感性，通过促进气孔关闭来减少水分流失，从而表现为脱水抗性表型。

　　图1. CaUBP12沉默辣椒植株的脱水抗性降低

　　为阐明CaUBP12正调控ABA介导的脱水胁迫响应，构建了ABA处理的辣椒叶片cDNA文库并通过酵母双杂筛选及互作验证发现CaUBP12与CaSnRK2.6互作。功能验证显示，与 CaUBP12相似，CaSnRK2.6沉默辣椒植株和CaSnRK2.6过表达拟南芥株系分别显示出脱水敏感和脱水抗性表型。

　　蛋白水平检测显示，CaSnRK2.6蛋白通过26S蛋白酶体途径发生降解，脱水和ABA诱导均可使蛋白降解减缓。进一步通过cell-free实验检测发现，CaSnRK2.6蛋白水平受CaUBP12基因水平的影响，CaUBP12表达量的增加可减缓CaSnRK2.6降解。此外，点突导致的CaUBP12去泛素化酶活性的消失则没有降解抑制功能。以上表明CaUBP12参与CaSnRK2.6蛋白稳定性的调控。