热激蛋白HSP90调控拟南芥气孔发育

2020年1 月11 日，来自捷克的研究团队在Molecular Plant杂志在线发表了题为“YODA-HSP90 module regulates phosphorylation-dependent inactivation of SPEECHLESS to control stomatal development under acute heat stress in Arabidopsis”的文章。该文章发现了热激蛋白HSP90的新功能——通过影响YODA定位及其下游基因的磷酸化来调控拟南芥气孔发育。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.01.001

高等植物拥有固着生长的特性，因此发展出多种适应环境温度生长的策略。对于植物适应高温的机制，比如表观调控、转录调控、热激蛋白、蛋白酶体等多种分子机制已逐渐阐明，其中热激蛋白对植物适应高温具有十分重要的作用，然而对于高温如何影响气孔形成的研究还很有限。

气孔是叶、茎及其他植物器官上皮上许多小的开孔之一，是植物表皮所特有的结构。气孔多存在于植物体的地上部分，介导气体和水分的交换。气孔的形成和密度由植物内在因素，包括发育和激素来调控。气孔的分化受环境因素，比如光强度、土壤水的可用率和二氧化碳含量等因素的影响。

在拟南芥中已经鉴定了大量调控因子参与气孔发育过程。研究发现EPF/EPFL基因家族的多肽与MAPK蛋白激酶通过级联反应以调节bHLH转录因子的活性。在下游，发现促分裂原活化蛋白激酶MAP包括YODA，MPKK4/5，MPKK7/9和MPK3/6等参与调控气孔发育过程的信号传导。此外还有五个bHLH转录因子正调节气孔细胞的命运和分化。其中SPCH，MUTE和FAMA三个转录因子在气孔发育的不同阶段发挥作用以促进细胞转化。

这篇文章中，作者通过观察YODA和HSP90s的相关突变体在热激前后的气孔状态，发现热激可以抑制拟南芥气孔的发育并且YODA和HSP90s在调控气孔的发育过程中起着重要作用。遗传学分析发现，相对于YODA，HSP90s具有遗传上位性。基因表达模式的研究发现，HSP90s和YODA表达在成熟的气孔细胞和气孔前体细胞中，暗示出两者之间可能的相互作用。进一步通过BiFC，CoIP和Y2H实验，作者发现HSP90s和YODA的N端可以相互作用，并且两者的相互作用发生在质膜附近。

Figure1. HSP90 levels impact the expression pattern of TMM in stomatal precursors.

因为之前的研究表明, YODA的亚细胞定位可以影响不对称细胞分裂后的子细胞的命运[1]。因此作者研究了HSP90s是否可以调控YODA的亚细胞定位。通过烟草瞬时转化实验，发现GDA（HSP90s抑制剂）可以诱导YODA的极性定位，而热激可以抑制YODA的极性定位。进一步拟南芥中研究表明，YODA在拟分生组织细胞中的细胞极性取决于HSP90的活性。表明HSP90可以调控YODA的亚细胞定位。

前人研究表明，在YODA信号通路中，除了YODA的极性定位，MPK3和MPK6的蛋白磷酸化也可以直接调控气孔发育中的相关下游基因（比如SPCH）的表达。MPK3以及MPK6还可以与SPCH作用，并导致SPCH的磷酸化[2]。在本文中，作者发现，当HSP90的功能受损时，MPK3和MPK6的活性会减少，进一步检测SPCH基因的表达，发现SPCH的磷酸化以及转录活性也发生改变，表明YODA-HSP90调节组件可以调节MPK3，MPK6和SPCH的活性，从而调节气孔的形成。

Figure 2. HSP90s provide fine-tuning of SPCH transcriptional activity.

总结：利用遗传学、药理学和生化技术手段，作者破译了SPCH磷酸化上游事件——YODA-HSP90s调控组件。揭示出热激响应蛋白HSP90s可以通过MAPK信号通路精密调节正常和高温条件下气孔的起始和形成，从而为植物适应高温环境提供分子基础。

参考文献：

[1] Zhang Y, Wang P, Shao W, Zhu JK, Dong J. The BASL polarity protein controls a MAPK signaling feedback loop in asymmetric cell division. Dev Cell 33, 136-149 (2015).

[2] Putarjunan A, et al. Bipartite anchoring of SCREAM enforces stomatal initiation by coupling MAP kinases to SPEECHLESS. Nat Plants 5, 742-754 (2019).

来源：Mol Plant