以下文章来源于作物科学联盟 ，作者王浩然
2023 年 7 月 3 日，中国农业大学小麦研究中心在 The Plant Cell 杂志上在线发表了题为 "Thermosensitive SUMOylation of TaHsfA1 defines a dynamic ON/OFF molecular switch for the heat stress response in wheat" 的研究论文。
小麦是世界三大粮食作物之一，满足了世界人口 20% 的能量需求。小麦是典型的喜凉作物，对高温尤为敏感。随着温室效应加剧，全球平均气温升高，高温极端天气频发，严重制约了小麦产量的稳定性。HsfA1s 作为热胁迫响应 (heat stress responses, HSRs) 转录调控网络的核心调控元件，在生物响应和适应热胁迫生长环境中发挥着不可或缺的调节作用。经典的 HSRs 分子模型认为：在正常温度下，一些热激蛋白 (如 HSP70 和 HSP90) 能够与 HsfA1 结合形成多蛋白抑制复合体，从而抑制 HsfA1 的活性，避免 HSRs 的错误发生；在遭遇热胁迫时，HsfA1 立即从多蛋白抑制复合体中解离出来并迅速激活下游 HSRs，以适应短期热胁迫。然而，在长期热胁迫环境下，植物需要对 HsfA1 的蛋白活性进行精准控制，使 HSRs 能够适时“降温”和“刹车”，避免持续的 HSRs 对植物产生过度伤害。然而在植物中，如何及时“回收”激活状态的 HsfA1 以及如何精准调节 HSRs 的强度，仍然是未解之谜。从分子水平深入解析植物 HsfA1 蛋白在热胁迫响应不同阶段的生化功能变化，有助于深化对小麦 HSRs 转录调控分子网络模型的系统认知，同时也有望为设计低热敏感型稳产小麦新种质、降低小麦在干热风危害中的产量损失提供理论依据。
01. TaHsfA1 是小麦基础耐热性必需的核心调控因子
为了探究小麦 HSRs 的精细调控模式，同源克隆了小麦 TaHsfA1 基因的编码序列。同时，利用基因编辑技术创制了 TaHsfA1 功能缺失的突变体材料 Tahsfa1-KO (#1，#2)。在适宜生长温度下，Tahsfa1-KO 材料未出现明显的发育缺陷表型；而在苗期和乳熟早期进行热处理发现，Tahsfa1-KO 相较于野生型表现为高度的热敏感性。其中，苗期热处理后，Tahsfa1-KO 存活率显著低于野生型；乳熟早期热处理后，Tahsfa1-KO 种子明显干瘪且千粒重显著低于野生型 (图 1A-D)。RNA-Seq 数据显示，与野生型相比，热处理后的 Tahsfa1-KO 有大量热响应相关基因的表达出现异常 (图 1E)。上述结果证明，TaHsfA1 在小麦响应热胁迫和保持其基础耐热性中发挥非常重要的作用，是小麦 HSRs 转录调控网络的核心组分。
图 1 TaHsfA1 是小麦耐热必需的核心调控因子
02. TaHsfA1 蛋白受到 SUMO 化修饰持续高温抑制这种修饰
通过酵母双杂交筛选得到一系列可能与 TaHsfA1 蛋白相互作用的候选蛋白，包括 TaSUMO1 (small ubiquitin like modifier)、TaHAG1 (histone acetyltransferase)、TaSLT1 (sodium- and lithium-tolerant 1) 等。前人研究表明，SUMO 化修饰参与 HSRs 调控，因此，研究人员选择 TaSUMO1 进行后续研究。结果表明，TaHsfA1 蛋白能够与 TaSUMO1 共价结合，发生 SUMO 化修饰，并且这一修饰主要发生在第 459 位 Lys 氨基酸残基 (图 2A-C)。进一步研究发现，在持续高温条件下，TaHsfA1 的 SUMO 化修饰水平显著降低并最终消失 (图 2B) ，说明 TaHsfA1 的 SUMO 化修饰存在热敏感的特点。
图 2 TaHsfA1 的 SUMO 化修饰及对 TaHsfA1 转录激活活性的影响
03. TaHsfA1 Lys459位 SUMO 修饰影响 TaHsfA1 的转录激活活性
为了评价 Lys459 位 SUMO 化修饰的生物学意义，对不同修饰状态的 TaHsfA1 蛋白的稳定性、DNA 结合活性以及转录激活活性等进行了分析。结果证明，Lys459 位的 SUMO 化修饰不影响 TaHsfA1 的蛋白稳定性和 DNA 结合活性，但对 TaHsfA1 的转录激活活性产生重要影响 (图 2D)。
综合以上结果，研究人员证明 TaHsfA1 在 Lys459 位发生 SUMO 化修饰，这一修饰是 TaHsfA1 的转录激活活性所必须的；在发生持续高温胁迫时，TaHsfA1 Lys459 位的 SUMO 化修饰水平受到显著抑制，降低了 TaHsfA1 的转录激活活性，实现了 TaHsfA1 的及时“回收”以及下游 HSRs 的“刹车”。
04. 结论与讨论
研究人员提出了热胁迫下 TaHsfA1 的 SUMO 化修饰作为蛋白活性分子开关的“ON-OFF”模型：正常温度下，SUMO 化修饰的 TaHsfA1 与 TaHSPs 结合，其转录活性被抑制；热胁迫初期，TaHsfA1 从 HSP 蛋白复合物中解离并结合到下游靶标基因启动子上，SUMO 化修饰的 TaHsfA1 更易招募 TaHAG1 并激活下游 HSRs；持续热胁迫下，TaHsfA1 的 SUMO 化水平降低，TaHsfA1 由活性状态转变为非活性状态，从而导致 HSRs 减弱甚至关闭，有助于小麦建立对持续热胁迫生长环境的适应性 (图 3)。
图 3 TaHsfA1 活性 ON-OFF 分子模型
中国农业大学农学院小麦研究中心 刘杰 副教授为该论文通讯作者。博士研究生 王浩然、已毕业博士生 冯曼 (现为华中农业大学博士后) 和博士研究生 蒋钰婕 为论文共同第一作者。中国农业大学 孙其信 教授、彭惠茹 教授、倪中福 教授、姚颖垠 教授、辛明明 教授、郭伟龙 副教授对该工作进行了指导和帮助。研究得到国家自然科学基金项目 (31991214 和 32072055) 和 中国农业大学 2115 人才培育发展支持计划的资助。
团队介绍
孙其信 教授作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文 50 余篇。
转自：“iPlants”微信公众号
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