朱健康团队揭示磷酸化调控植物低温胁迫响应

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景杰编者按：植物逆境研究一直是植物学领域的热点与难点，研究植物逆境信号转导的分子机制，具有重要的理论意义和实际应用价值。

抗寒转录激活因子ICE1是植物冷应答的中心调控者，其水平受到严格控制。中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康院士课题组运用磷酸化组学，对植物在低温胁迫环境下的相应机制展开研究。研究结果表明低温胁迫激活的MPK3和MPK6使ICE1磷酸化并促进其降解，从而负反馈调节植物对低温的应答，而MPK4通过组成性抑制MPK3和MPK6活性来正向调节低温应答。该发现发表在著名的学术期刊Developmental Cell上。

关键词：逆境研究、磷酸化，MAP激酶，ICE1蛋白，CBF基因，低温胁迫

研究思路和成果

为了确定冷处理后MAP激酶是否被激活，研究人员首先测定4℃条件下0min和30min的MPK3、MPK4、MPK6激酶的活性（图1），结果显示：寒冷刺激下MPK3、MPK4、MPK6激酶的活性均增强。为进一步验证MPK3、MPK4、MPK6被低温激活，研究人员将10日龄的拟南芥幼苗在4℃条件下，分别培养0 min、5 min、15 min、30 min和60min，并使用抗pTEpY进行免疫印迹识别MPK3、MPK4和MPK6的磷酸化/活性形式，结果表明MPK3、MPK4和MPK6在低温处理后都能快速激活。此外，为进一步将MAP激酶的活性与温度变化关联起来，分别在18℃，10℃和4℃下处理10日龄的拟南芥幼苗，结果显示在相同的处理时间下，低温处理的幼苗的MAP激酶磷酸化水平更高。

 图1 冷处理下MPK3、MPK4和MPK6的活性

接下来研究人员分别对MPK3、MPK4和MPK6激酶是如何调控冷应答的作出研究。作者首先对三种CBF基因的表达水平进行检测（图2），结果显示，在MPK6突变体中，所有三个CBF基因都显著上调，而在MPK3突变体中CBF1也显著上调，说明MPK3和MPK6都是冷应答的负调控因子。冷冻生存及电解质泄漏分析的数据也均显示MPK3和MPK6均具有较高的耐冻性。而对MPK4的分析则发现在寒冷刺激下，CBF基因的表达水平实际上是下调的，说明MPK4是冷应答的正调控因子。

 图2 MPK3和MPK6突变体对寒冷十分非常敏感

此外，研究者还发现MPK3 和MPK6可以使ICE1蛋白磷酸化，从而促进ICE1的降解（图3）。先前的研究表明，低温处理引发ICE1的降解，这通过我们的WB实验测定证实。而在Dex处理后6小时，MPK3和MPK6被激活至高水平；巧合的是，Dex处理6小时后ICE1蛋白水平降低。与免疫印迹结果一致，Dex处理24小时后ICE1的GFP信号强度降低。这些结果表明MKK5-MPK3 / 6级联的激活足以引发ICE1降解。

图3 MKK5-MPK3 / 6级联促进了ICE1的降解

总结

在本研究中，研究者通过磷酸化蛋白质组学分析，以鉴定在低温处理后在拟南芥植物中激活的MAP激酶。发现三种MAPKs，MPK3、MPK4和MPK6在冷处理后迅速活化；同时，发现MKK5 -MPK3 / MPK6级联通过在Ser94、Thr366和Ser403磷酸化促进ICE1的降解来负调节冷应答。相反，MEKK1-MKK2-MPK4级联正调节冷应答，并且组成型抑制蛋白水平和激酶活性 MPK3和MPK6。因此阐明了两种MAP激酶级联在调控COR基因表达和低温胁迫调控中的作用。

参考文献： 

Zhao, C, et al. (2017),MAP Kinase Cascades Regulate the Cold Response by Modulating ICE1 Protein Stability. Developmental Cell, 43(5): 618.

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