中科院发文揭示干旱胁迫下植物根冠比的调控机制

2021 年 12 月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵杨研究组在 Nature Plants 杂志发表题为《Phosphorylation of SWEET sucrose transporters regulates plant root:shoot ratio under drought》的研究论文，从分子层面揭示了干旱胁迫下植物根冠比的调控机制。

在长期的进化过程中，植物形成了严密且复杂的调控网络来应对干旱胁迫，这些植物对干旱胁迫的反应主要与植物激素信号通路有关。干旱胁迫会引起 ABA 途径的激活，生长素和脱落酸（ABA）共同控制向地性、向水性和侧根生长。本文中，研究人员的实验结果表明：在渗透胁迫下，野生型拟南芥根冠比增加，ABA 突变体根冠比变化较小。

作为地下的主要营养器官，植物根系依靠光合产物（如蔗糖）的转运维持生长。在渗透胁迫下，野生型植株根部的蔗糖积累量增加，ABA 突变体根部的蔗糖积累量减少。这些结果表明，干旱胁迫诱导植物中 ABA 的积累，激活 ABA 信号途径。在渗透胁迫下 ABA 对调节植物根冠比，促进植物根系生长，以及蔗糖积累和分配方面具有重要作用。

作为主要的光合产物，蔗糖可以通过韧皮部从枝条运输到根部。在蔗糖长距离运输过程中，韧皮部蔗糖转运蛋白 SWEET11 和 SWEET12 发挥重要作用，参与干旱胁迫下植物根冠比的调控。研究人员在 SWEET11/12 中发现了两个在干旱胁迫下被 SnRK2s 蛋白激酶磷酸化修饰的丝氨酸残基（第 237 和 248 位丝氨酸）。磷酸化发生在 SWEET 蛋白 C 末端，位于细胞质内，是潜在的调控区。SWEET11/12 的磷酸化可以增强蔗糖转运，并有助于改善植物根系生长和提高抗旱性。即使在非胁迫条件下，模拟磷酸化 SWEET 的表达在提高植物根系生长的同时，还可以增强地上部分的生长。

蛋白质之间的相互作用（protein-protein interaction, PPI）是细胞进行一切代谢活动的基础，植物的生长发育及其应对各种生物或（和）非生物胁迫的生理活动主要通过细胞中的蛋白质来进行调节和控制。探究植物中蛋白质相互作用的研究方法，不仅可以了解和揭示蛋白质在植物物质转运、信号转导和代谢调控中的功能，阐明植物蛋白质作用的复杂网络系统，对于提高作物产量，尤其是胁迫下的作物稳产也具有重要意义。这篇高分文章中研究人员使用 Molecular Devices  SpectraMax i3x 多功能微孔板读板机进行 Split-LUC 测定，验证了 SWEET11 和 SWEET12 与 SnRK2 的潜在相互作用，从分子层面揭示了干旱胁迫下植物根冠比的调控机制。

植物蛋白质相互作用研究方法包括体内、体外及生物信息学（in silico）等。体内研究方法包括酵母双杂交系统（Y2H），双分子荧光互补技术（BiFC, Bimolecular fluorescence complementation assay），萤光素酶片段互补技术 Split-LUC（Split luciferase complementation assay），以及荧光共振能量转移法（FRET）。体外研究方法（in vitro）包括蛋白质免疫共沉淀法（Co-IP），GST  融合蛋白 pull-down 技术，串联亲和纯化（TAP）技术和蛋白质微阵列（Protein microarrays）。