9月12日,，基因組所鄔倩博士聯(lián)合瑞士洛桑大學(xué)Edward Farmer課題組在《新植物學(xué)家（New Phytologist）》在線發(fā)表了題為“The carboxy-terminal tail of GLR3.3 is essential for wound-response electrical signaling” 的研究論文,。該研究揭示了谷氨酸受體蛋白GLR3.3的羧基端區(qū)域在損傷刺激產(chǎn)生的長距離信號傳遞過程中的重要作用。

自然界中,，植物無時(shí)無刻不面臨著各種非生物和生物脅迫所引起的機(jī)械損傷,，比如風(fēng)、雨等極端氣候因素,，比如噬咬類草食性昆蟲和動物的侵襲,。 機(jī)械損傷可以誘發(fā)植物產(chǎn)生多種系統(tǒng)性信號分子，電信號是其中最重要的一種,。傷害刺激產(chǎn)生的電信號能夠以cm/min的速度在葉片-葉片間快速傳遞,，并在未受損組織進(jìn)一步激活一系列茉莉酸（jasmonic acid, JA） 等植物激素介導(dǎo)的系統(tǒng)性防御反應(yīng)(Farmer et al., 2020)來保護(hù)自身，這一過程依賴于谷氨酸受體（glutamate receptor-like,，GLRs）蛋白家族的功能,。在擬南芥GLR3.3和GLR3.6 功能缺失的雙突變體中，由葉片傷害引發(fā)的電信號傳遞在遠(yuǎn)端未受傷害的葉片中完全消失（Mousavi et al., 2013; Nguyen et al., 2018）,。相應(yīng)地,，突變體中受茉莉酸誘導(dǎo)的基因表達(dá)大幅度受到抑制。盡管如此,，目前為止,，對于GLRs在分子水平如何發(fā)揮作用的機(jī)理仍不清楚。

GLR3.3是由多個(gè)結(jié)構(gòu)域組成的跨膜蛋白（>900 aa）,，包含一個(gè)大的胞外氨基端,，兩個(gè)配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域，三個(gè)跨膜區(qū)以及胞質(zhì)內(nèi)的羧基端尾巴（84 aa）,。此前的研究大多聚焦于解析GLRs配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域的功能,，該研究首次明確了GLR3.3的羧基端這一無明顯結(jié)構(gòu)域的區(qū)域?qū)τ谄涔δ艿闹匾裕淠軌蚪Y(jié)合一個(gè)全新的互作蛋白,，而該互作蛋白與GLR3.3的羧基端的結(jié)合位點(diǎn)對于GLR3.3的功能是必需的,。此外,，該互作蛋白也能夠參與一系列損傷刺激產(chǎn)生的生物學(xué)應(yīng)答。最后,，研究人員發(fā)現(xiàn)多個(gè)谷氨酸受體蛋白GLRs的羧基端均存在對于其功能必不可少的功能位點(diǎn),，這是植物GLRs蛋白被發(fā)現(xiàn)二十多年來首次鑒定到的有生理功能的靶點(diǎn)。

研究人員首先構(gòu)建了GLR3.3羧基端缺失的轉(zhuǎn)基因回補(bǔ)材料,，并通過一系列電生理表型測定和茉莉酸應(yīng)答基因檢測等實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了GLR3.3羧基端對于其生理功能的重要性,。在此基礎(chǔ)上，研究人員利用GLR3.3羧基端作為誘餌蛋白進(jìn)行了酵母雙雜篩選,，鑒定到一個(gè)新的互作蛋白ISI1,，二者之間的互作也通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步得到證實(shí)。通過分別構(gòu)建GUS和mCherry標(biāo)簽的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平的報(bào)告植株,，研究人員發(fā)現(xiàn) ISI1 基因呈現(xiàn)出在維管束組織富集表達(dá)的模式,，并進(jìn)一步通過激光共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)ISI1蛋白定位于維管束韌皮部伴胞的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中。通過對 isi1 功能缺失的突變體進(jìn)行表型分析,，研究人員發(fā)現(xiàn)isi1的突變體中,，由損傷引起的葉片表面電位變化以及進(jìn)一步利用蚜蟲電極所測定的韌皮部電位變化均較野生型有顯著差異，這與其表達(dá)模式十分吻合,。此外,，在昆蟲取食實(shí)驗(yàn)中，研究人員也發(fā)現(xiàn)isi1植株對昆蟲的取食表現(xiàn)出較野生型更強(qiáng)的抗性,，這與其電生理表型相一致,。

接下來，研究人員進(jìn)一步通過片段缺失和點(diǎn)突變的方式在酵母體系中鑒定了GLR3.3和ISI1的互作位點(diǎn),，發(fā)現(xiàn)在GLR3.3的羧基端存在三個(gè)氨基酸位點(diǎn)（RFL,， 圖1）對于二者的結(jié)合是必需的。為了進(jìn)一步揭示結(jié)合位點(diǎn)對于GLR3.3功能的影響,，研究人員將攜帶這三個(gè)氨基酸突變的GLR3.3回補(bǔ)其突變體,，有意思的是,，突變結(jié)合位點(diǎn)后,，GLR3.3在損傷刺激的長距離電信號傳遞和茉莉酸應(yīng)答中的功能均完全喪失，這一結(jié)果揭示了這三個(gè)氨基酸位點(diǎn)的重要性,。另一方面,，這一GLR3.3的點(diǎn)突變體并不影響其在植物細(xì)胞的表達(dá)和亞細(xì)胞定位 （圖1d），這與其動物中的同源蛋白iGluRs的羧基端點(diǎn)突變體的表現(xiàn)非常不同,，后者大多通過影響其在動物細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位而影響其功能,。最后，研究人員聚焦三個(gè)GLRs的羧基端,，發(fā)現(xiàn)其羧基端存在多個(gè)保守位點(diǎn),，進(jìn)一步通過生理功能分析,，發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)位點(diǎn)對于GLRs的功能是必需的。該研究首次對損傷刺激產(chǎn)生的系統(tǒng)應(yīng)答過程中的重要蛋白GLR3.3的羧基末端展開功能探索,，最終通過一系列研究首次揭示了其羧基末端的重要功能靶點(diǎn)和可能調(diào)控機(jī)制,。

圖1 | GLR3.3的羧基端點(diǎn)突變體的生理功能分析及其亞細(xì)胞定位

基因組所合成生物學(xué)研究中心副研究員鄔倩博士為本文的第一作者和共同通訊作者。本研究得到了深圳市科創(chuàng)委等的資助,。

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參考文獻(xiàn)：

1. Wu, Q., Kumari, A., Stoz, S., Farmer, E.E. The carboxy-terminal tail of GLR3.3 is essential for wound-response electrical signaling. New Phytol. 2022. doi: 10.1111/nph.18475

2. Farmer, E.E., Gao, Y.Q., Lenzoni, G., Wolfender, J.L., and Wu, Q. Wound- and mechano-stimulated electrical signals control hormone responses. New Phytol. 2020. 227: 1037-1050.

3. Mousavi, S.A., Chauvin, A., Pascaud, F., Kellenberger, S., and Farmer, E.E. GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE genes mediate leaf-to-leaf wound signalling. Nature. 2013. 500(7463): 422-426.

4. Nguyen, C.T., Kurenda, A., Stolz, S., Chetelat, A., and Farmer, E.E. Identification of cell populations necessary for leaf-to-leaf electrical signaling in a wounded plant. PNAS. 2018. 115(40): 10178-10183.