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小泛素样修饰蛋白酶 OTS1 基因的过度表达可增强甘蔗(甘蔗属杂种)的耐旱性
Plant Biology ( IF 4.2 ) Pub Date : 2023-10-19 , DOI: 10.1111/plb.13585
M Masoabi 1 , N F V Burger 2 , A-M Botha 2 , M L Le Roux 2 , M Vlok 3 , S Snyman 4, 5 , C Van der Vyver 1
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介绍

甘蔗(Saccharum spp.hybrids)是一种多年生草本植物,其特征是具有高纤维茎,可积累大量蔗糖和木质纤维素生物质,分别用于糖和生物乙醇的生产(Waclawovsky,  2010)。由于该作物的种植周期较长,跨越一年四季,因此对气候变化造成的干旱特别敏感。在非生物胁迫因素中,缺水被认为对作物产量和生产力最有害,导致产量损失高达 60%(Ferreira,  2017)。以降雨或灌溉的形式提供充足的水,在生长的早期阶段尤其重要,例如确定茎秆数量的分蘖期,以及农作物指数营养生长的盛大生长期(Inman-班伯和史密斯 2005)。

小泛素样修饰剂 (SUMO) 对蛋白质的翻译后修饰 (PTM) 调节植物发育和胁迫反应。SUMO化过程在盐和干旱胁迫的调节中表现出独特的信号作用(Conti et al2008 ; Castro  2013 ; Castro et al2016 ; Srivastava et al2016a , b ; Srivastava et al2017 ; Rosa et al.2018;Le Roux等人2019  Ibrahim等人2022  。其操作模式与泛素化产生共鸣,在靶蛋白上共享相同的底物,并采用酶级联来发挥活性。然而,虽然泛素化蛋白主要发出降解信号,但 SUMO 化蛋白被修饰,从而影响其活性、细胞内分布、与其他蛋白的相互作用和寿命(Han 等,  2018 年;Srivastava & Sadanandom,  2020 年)。

SUMO 化是一个高度动态和循环的过程,在应激信号感知过程中,约 11 kDa SUMO 蛋白通过 SUMO 蛋白酶的肽酶活性在其游离、无活性的未成熟形式和活性​​成熟形式之间互换 (Benlloch & Lois 2018  )。SUMO 蛋白酶从游离的未成熟 SUMO 蛋白中裂解 10 个氨基酸 (~1.1 kDa),在其羧基末端暴露出二甘氨酸基序。这使其成熟,进入循环过程,监督其激活、与目标蛋白的缀合、与蛋白质的连接以及从蛋白质的解离进入新的循环(Morrell & Sadanandom  2019)。在长时间的应激条件下,SUMO 蛋白主要从目标底物上解离,使它们能够进入另一个循环,或者不太可能恢复到其游离的、不成熟的状态 (Park & Yun  2013 )。对于去SUMO化,SUMO异构肽酶催化连接SUMO蛋白与其靶蛋白的异肽键的裂解(Colby et al2006;Yates et al2016;Benlloch & Lois  2018)。

SUMO 蛋白酶的特征是半胱氨酸蛋白酶,因为它们在催化位点具有半胱氨酸硫醇,可进行亲核攻击,从而破坏 SUMO 蛋白和靶蛋白之间和/或 SUMO 蛋白内部的硫酯键(Hickey 等人 2012  。从酵母中分离出来的类泛素蛋白特异性蛋白酶 1 (ULP1;~28 kDa) 是第一个被鉴定的 SUMO 蛋白酶 (Li & Hochstrasser  1999 ),而来自拟南芥的 ESD4 (Early in Short Days 4)代表了第一个由植物(Reeves等人,  2002 年;Murtas等人,  2003 年)。通过序列相似性,Kurepa等人。( 2003 ) 鉴定了 ELS(ESD4 样 SUMO 蛋白酶)1 和 2,以及 OTS(过度耐受盐)1 和 2 SUMO 蛋白酶。据报道,ESD4 和 OTS1/2 蛋白酶表现出肽酶(用于成熟)和异肽酶(用于回收)活性(Colby等人,  2006 年;Conti等人,  2008 年)。在这两种酶中,OTS 酶在调节作物物种的盐和干旱胁迫方面发挥着关键作用。

两种蛋白酶的同时敲除[描述为ots1-1(对于OTS1敲除突变体)、ots2-1(对于OTS2敲除突变体)]最初的特征是赋予拟南芥对盐的超敏性 Conti等人,  2008)。在干旱方面,卡斯特罗等人。( 2016 )通过拟南芥中的功能丧失反向遗传学对这些蛋白酶进行了功能表征,其中双突变体表现出受各种干旱相关转录调节因子控制的基因的失调,导致根生长形态减弱、气孔传导性更高,并且总体上没有增强耐旱性。此外,卡斯特罗等人。( 2016 )将敲除的SUMO连接酶(E3)SIZ1基因引入OTS双突变体。由此,他们证明了 OTS1 和 2 SUMO 蛋白酶(组合)主要作为控制水分亏缺反应的 SUMO 化过程中的异肽酶发挥作用。

在OTS1基因过度表达或沉默的情况下,水稻也出现了盐胁迫过敏的特征(Srivastava et al2016a )。OsOTS1 -RNAi 水稻品系表现出高水平的 SUMO 缀合物,这使得它们对盐胁迫高度敏感,并且与正常条件下的野生型 (WT) 相比,没有表现出明显的特征可逆地,水稻中OsOTS1的过度表达表现出耐盐性增强,胁迫期间 SUMO 结合物减少(Srivastava等人2016b)。有趣的是,OsOTS1 -RNAi 转基因水稻对盐胁迫表现出超敏感性,相反却表现出增强的耐旱性(Srivastava等人,  2017)。这些植物的耐旱性增强与Os bZIP 转录因子有关,其中OsOTS1的缺失维持了 SUMO 蛋白与转录因子的附着,从而增加了其稳定性,从而导致干旱响应基因的转录。此外,Le Roux等人。( 2019 ) 证明,过度表达AtOTS1基因的小麦在缺水胁迫下表现出更好的生长。在小麦植物中,未转化植物中总蛋白的 SUMO 化增加,但AtOTS1转化植物中的总蛋白未增加,这表明 SUMO 蛋白酶可能影响一系列机制,以确保增强对缺水胁迫的耐受性。与OTS1不同,OTS1已被证明独立影响对干旱胁迫的响应(Castro 2013),表明OTS2敲除品系中的Atots2-1在拟南芥中对干旱和/或盐胁迫的响应中表现出与WT相似的结果。

迄今为止,对植物中的 SUMO 化系统进行的研究非常有限,特别是在作物物种中。然而,现有研究表明 SUMO 蛋白酶在 SUMO 化调节中的重要性,特别是在植物干旱胁迫反应期间。这项研究是第一份关于干旱胁迫期间多倍体作物甘蔗中过量表达的半胱氨酸蛋白酶对拟南芥盐-1 ( AtOTS1 ) 过度耐受的影响的报告。与未转化的野生型植物相比,在暴露于缺水胁迫后,对转基因植物的植物生长、生理生化变量以及富含 SUMO 的蛋白质表达的变化进行了分析。





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更新日期:2023-10-19
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