深入解析玉米干旱响应分子机制

　　玉米是世界上种植广泛和产量最高的粮食作物，对于全球的粮食安全至关重要。在影响玉米产量的诸多因素中，干旱是主要的非生物胁迫因素。深入解析玉米干旱响应的分子机制将有助于玉米耐旱新品种的培育与推广应用。

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究组与陈化榜研究组合作，通过对玉米重组自交系群体苗期耐旱性的详细分析，对筛选到的极端表型株系进行比较转录组分析，并阐明了一个bHLH类型转录因子参与玉米干旱响应过程的分子机理。该研究选取两个极端耐旱的株系RIL70、RIL73及两个极端旱敏感的株系RIL44、RIL93进行RNA-seq研究。

　　通过比较转录组和bin图消减联合分析，发现基因表达的变化不仅存在于耐旱和旱敏感株系间，也存在于耐旱株系RIL70和RIL73间。同时，RIL73中鉴定到一个螺旋-环-螺旋类转录因子ZmbHLH124T-ORG在干旱处理过程中特异性的上调表达。玉米和水稻中过表达ZmbHLH124T-ORG可显著提高植物的耐旱性和干旱应答基因的表达水平，而过表达来源于敏感株系的ZmbHLH124S-ORG基因未获得类似效果。进一步研究发现，ZmbHLH124T-ORG可直接结合到干旱应答基因ZmDREB2A的启动子区并激活其表达。该研究鉴定到的干旱相关的遗传位点将有助于耐旱作物育种的研究工作。

　　上述研究结果于2021年5月25日在线发表于Plant Biotechnology Journal杂志(DOI:10.1111/pbi.13637)。谢旗研究组已毕业博士生魏绍巍和助理研究员夏然为该论文的共同第一作者，谢旗研究员和吴耀荣副研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划项目和转基因专项的资助。

　　内质网相关的蛋白质降解（ERAD）在植物的生长发育和适应胁迫过程中扮演重要角色，主要负责清除细胞内积累的错误折叠蛋白，同时也调控正常折叠的蛋白。中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究组一直致力植物泛素化在植物与环境互作中的调控机制研究，并且在ERAD调控植物逆境的研究中取得了一系列研究成果（Liu et al., 2011； Cui et al., 2012； Chen et al., 2016a, 2016b； Chen et al., 2020； Liu et al., 2021）。然而，ERAD如何参与胁迫响应的具体机制仍不清楚。

　　谢旗实验室前期的研究工作发现，UBC32是定位于内质网的泛素耦合酶，是ERAD复合体的重要组分。UBC32在转录水平受多种胁迫诱导，其蛋白参与降解错误折叠蛋白，同时其蛋白水平受到ERAD的调控。基于UBC32的高表达和敲除影响了植物的干旱相应这一生物学现象进一步开展了研究。采用IP/MS方法寻找到与UBC32互作的水通道蛋白PIP2；1/PIP2；2，UBC32直接结合PIP2；1/PIP2；2并促进其降解。进一步研究发现RING类型的E3连接酶Rma1H1与UBC32一起形成特定的E2-E3复合物通过负调控PIP2；1蛋白稳定性增强植物的抗旱性。PIP2；1的第276位K（PIP2；2为K274）被泛素化修饰后降解速度加快。并且，Rma1更易结合C端S280和S283位磷酸化修饰的PIP2；1/PIP2；2，S280/283D形式的PIP2；1蛋白稳定性也更低。该研究揭示了蛋白质泛素化和磷酸化修饰在ERAD E2-E3复合物精细调控底物稳定性在植物干旱响应中的新机制。在水稻中高表达UBC32可显著提高水稻的耐旱性，为培育节水作物提供了良好材料。