土壤鹽漬化直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)，是全球農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。雖然植物進(jìn)化出維持離子平衡和滲透穩(wěn)態(tài)等一系列適應(yīng)性機(jī)制。然而，鹽脅迫響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制尚不清楚。中介體復(fù)合物（Mediator complex）是重要的轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)因子，起著連接轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶Ⅱ的橋梁作用。該復(fù)合體由頭部、中部、尾部和CDK8激酶亞基四個(gè)模塊組成，然而CDK8等中介體亞基在植物應(yīng)答鹽脅迫過程的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用尚未報(bào)道。

近日，河南大學(xué)省部共建作物逆境適應(yīng)與改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生命科學(xué)學(xué)院/河南大學(xué)三亞研究院祝英方團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了題為“Salt stress activates the CDK8-AHL10-SUVH2/9 module to dynamically regulate salt tolerance in Arabidopsis”的研究論文。

該研究通過分析CDK8突變體和過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系的鹽脅迫表型，發(fā)現(xiàn)CDK8正向調(diào)節(jié)植物鹽脅迫響應(yīng)和耐受性；發(fā)現(xiàn)鹽脅迫誘導(dǎo)顯著增強(qiáng)CDK8的激酶活性，而蛋白表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定。激酶活性缺失轉(zhuǎn)基因株系不能回補(bǔ)cdk8突變體的鹽敏感表型。蛋白磷酸化組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，CDK8與AHL10互作并磷酸化AHL10的第314絲氨酸（Ser314）。蛋白降解實(shí)驗(yàn)證實(shí)鹽誘導(dǎo)AHL10蛋白降解；同時(shí)，CDK8介導(dǎo)的AHL10的磷酸化促進(jìn)AHL10的蛋白降解，從而促進(jìn)植物的耐鹽性。正常條件下，AHL10結(jié)合鹽脅迫響應(yīng)基因的啟動(dòng)子抑制其表達(dá)，而鹽脅迫介導(dǎo)AHL10磷酸化會(huì)促進(jìn)其通過26s蛋白酶體被降解，從而解除對(duì)鹽脅迫響應(yīng)基因表達(dá)的抑制。該結(jié)果表明鹽脅迫介導(dǎo)的AHL10降解部分依賴于CDK8的磷酸化。

轉(zhuǎn)錄組分析顯示，CDK8可以調(diào)節(jié)超過20%的鹽脅迫響應(yīng)基因，其中大約一半的基因也受AHL10 的調(diào)節(jié)。一些關(guān)鍵鹽脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)（如DREB2A, MYB15和ANAC040）在cdk8突變體中被抑制，而在ahl10突變體和AHL10pro:AHL10S314D轉(zhuǎn)基因株系中被增強(qiáng)。ChIP-seq分析揭示，AHL10能夠結(jié)合鹽脅迫響應(yīng)基因啟動(dòng)子的核基質(zhì)附著區(qū)中富含AT的DNA序列，并招募SUVH2/9復(fù)合體，促進(jìn)H3K9me2修飾，來抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄。

綜上，該研究提出了一個(gè)工作模型：在正常條件下，CDK8的激酶活性較低，AHL10-SUVH2/9復(fù)合物在鹽響應(yīng)基因啟動(dòng)子區(qū)域積累，抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄。在鹽脅迫條件下，CDK8的激酶活性被激活并磷酸化AHL10，促使其蛋白降解，從而解除對(duì)鹽響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄抑制，進(jìn)而增強(qiáng)植物的鹽耐受性。本研究揭示了CDK8-AHL10-SUVH2/9模塊作為植物鹽脅迫響應(yīng)的關(guān)鍵分子開關(guān)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鹽響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄來幫助植物適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。

河南大學(xué)祝英方教授為本文的通訊作者，河南大學(xué)已畢業(yè)博士生郭鵬程和Leelyn Chong副教授為本文的共同第一作者。河南大學(xué)博士后焦志鑫，博士生許睿以及安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)牛慶豐教授參與了本研究。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金和河南省高校科技創(chuàng)新人才計(jì)劃的大力支持。

祝英方，河南大學(xué)明德特聘教授拔尖人才。主要研究方向?yàn)橹参镞m應(yīng)環(huán)境脅迫的分子機(jī)制，尤其是在中介體復(fù)合體平衡逆境應(yīng)答和生長(zhǎng)發(fā)育的功能及調(diào)節(jié)機(jī)制方面取得了系列研究進(jìn)展，近年來揭示CDK8通過轉(zhuǎn)錄因子RAP2.6與SnRK2.6形成蛋白復(fù)合體，促進(jìn)RNA聚合酶II的招募并激活A(yù)BA響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄，從而正向調(diào)節(jié)植物的干旱抗性 (New Phytol, 2020)；在番茄里篩選到CDK8的新底物TCP15，并闡明了CDK8通過磷酸化TCP15促進(jìn)番茄花粉發(fā)育和果實(shí)產(chǎn)量的新機(jī)制 (Plant Physiol, 2024)；建立了中介因子成員MED25與MED16通過競(jìng)爭(zhēng)性與ABA信號(hào)通路的轉(zhuǎn)錄因子ABI5互作，差異調(diào)節(jié)ABA下游基因轉(zhuǎn)錄激活的機(jī)制模型 (J Integr Plant Biol, 2021)，為培育抗逆高產(chǎn)的作物新品種提供了新思路。

圖1 CDK8-AHL10-SUVH2/9分子模塊動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鹽脅迫響應(yīng)

來源： 作物逆境適應(yīng)與改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室