2022年8月5日，揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室、糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的聯(lián)合研究成果在線發(fā)表在The Plant Cell上，文章題目為“Phytochrome interacting factor regulates stomatal aperture by coordinating red light and abscisic acid”。該期刊的影響因子為12.085。本研究使用DAP-seq技術(shù)發(fā)現(xiàn)水稻OsPIL15轉(zhuǎn)錄因子靶向OsABI5，進一步研究表明，OsPIL15與OsHHO3相互作用促進OsABI5的轉(zhuǎn)錄，揭示了PIFs在紅光介導(dǎo)的氣孔開放中發(fā)揮作用的分子機制，證明了PIFs通過協(xié)調(diào)紅光和ABA信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)氣孔運動。

        植物通過氣孔運動來響應(yīng)環(huán)境的變化。氣孔運動是協(xié)調(diào)光合作用和蒸騰作用的關(guān)鍵生理過程。藍(lán)光和紅光可以影響氣孔運動。藍(lán)光受體介導(dǎo)的藍(lán)光對氣孔運動的調(diào)控機制已被廣泛研究，但紅光受體光敏色素(phys)介導(dǎo)的氣孔運動調(diào)控途徑尚不清楚。植物光敏色素互作因子(PIF)作為phys的下游蛋白，可以直接與phys相互作用，并作為光反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子。PIF和PIF-like(PIL)蛋白參與植物的生長發(fā)育，作為細(xì)胞信號樞紐協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。然而，PIFs在調(diào)節(jié)氣孔運動的作用機制還不清楚。

        在水稻中，PIF家族基因OsPIL15是否參與了氣孔運動的調(diào)節(jié)？可能的機制是什么？對OsPIL15的過表達(dá)與敲除突變體的表型進行分析發(fā)現(xiàn)，OsPIL15通過負(fù)調(diào)控氣孔開度來降低葉片的蒸騰速率。進一步研究發(fā)現(xiàn)OsPIL15參與ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。通過DNA親和純化測序(DAP-seq)分析發(fā)現(xiàn)OsABI5是OsPIL15的潛在靶基因，并且OsABI5啟動子區(qū)的PBE-box是OsPIL15的結(jié)合位點。雙熒光素酶(Dual-Luc)報告實驗、電泳遷移測定(EMSA)實驗、OsABI5突變體的表型實驗進一步驗證了DAP-seq的結(jié)果。之后，使用酵母雙雜交篩選到OsHHO3是OsPIL15的互作蛋白，并且通過雙分子熒光互補實驗、體外Pull-Down實驗證實了OsHHO3與OsPIL15的相互作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，OsHHO3通過與OsPIL15互作，促進OsPIL15與OsABI5啟動子區(qū)域的結(jié)合，進而增強OsABI5的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)氣孔開度和葉片蒸騰速率。此外，研究還發(fā)現(xiàn)玉米中，與水稻OsPIL15同源的ZmPIF1和ZmPIF3也具有調(diào)節(jié)玉米氣孔開度的功能，這表明PIFs介導(dǎo)的氣孔開度調(diào)控機制在植物中可能是保守的。

圖1. OsPIL15負(fù)調(diào)控水稻的蒸騰作用。

圖2. OsABI5 是OsPIL15的直接靶基因。

圖3. OsPIL15 的作用機制模式圖

本文總結(jié)

本研究發(fā)現(xiàn)了水稻PIF轉(zhuǎn)錄因子OsPIL15與OsHHO3相互作用促進水稻OsABI5的轉(zhuǎn)錄。OsPIL15是調(diào)控ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，通過與OsABI5啟動子的PBE-box基序結(jié)合調(diào)控氣孔開度。此外，與水稻OsPIL15同源的玉米PIF家族基因ZmPIF1和ZmPIF3也負(fù)調(diào)控玉米的氣孔開度，表明PIF介導(dǎo)的氣孔開度調(diào)控機制在植物中可能是保守的。本研究揭示了PIFs在紅光介導(dǎo)的氣孔開放中發(fā)揮作用的分子機制，并證明了PIFs可以通過協(xié)調(diào)紅光和ABA信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)氣孔開度，同時也為作物抗旱育種研究提供了一條新思路。

藍(lán)景科信河北生物科技有限公司為作者提供了DAP-seq技術(shù)支持。