近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志以“Arabidopsis PP6 phosphatases dephosphorylate PIF proteins to repress photomorphogenesis”为题，在线刊发了我校代明球教授课题组与北京大学邓兴旺教授课题组合作完成的最新研究成果。该研究揭示了新型磷酸酶PP6介导PIF转录因子的去磷酸化修饰，进而抑制拟南芥光形态建成的分子调控机制。
光是一种重要的环境因素，对植物的生长发育至关重要。土壤中萌发的幼苗，会经历一段时间的暗形态建成 (skotomorphogenesis)；当幼苗破土而出感受到光照时，会立刻进入光形态建成 (photomorphogenesis)。暗形态建成的发育有利于植物的出土，而光形态建成的发育则利于植物进行光合作用并进入自养生长。在拟南芥中，PIFs(phytochrome-interacting factors)转录因子是光形态建成中的关键抑制因子；近期，华南农业大学王海洋教授团队的研究也发现，玉米中的7个ZmPIF参与调控了中胚轴的生长(Wuet al.,2019)，表明PIF在调控植物中/下胚轴发育中的功能是相对保守的。植物光受体感受到光后，能迅速引发PIFs的磷酸化修饰和降解，启动植物的光形态建成。参与调控PIFs磷酸化修饰的激酶已被大量报道，但调控PIFs去磷酸化的磷酸酶却鲜有报道。
新型磷酸酶PP6 (Protein phosphatase 6)是一类丝/苏氨酸蛋白磷酸酶，能与相应激酶拮抗性地调控蛋白质的磷酸化修饰。代明球教授课题组早期的研究发现，PP6参与了脱落酸(Abscisic acid)信号通路，通过调控ABI5 (ABA-INSENSITIVE 5)的去磷酸化修饰和积累，促进种子的萌发 (Dai et al., 2013)。另外，该课题组还发现PP6介导了PIN(PINFORMED) 的去磷酸化修饰，通过调节生长素 (Auxin) 的极性运输，促进植物根的发育(Dai et al., 2012)。
代明球教授课题组的本次研究发现，PP6能介导PIFs去磷酸化修饰，并在黑暗下抑制了植物的光形态建成。PP6的催化亚基FyPP1(Phytochrome-associated Ser/Thr protein phosphatase 1) 和FyPP3的双突变体fypp1 fypp3 (f1 f3)在黑暗下呈现出短下胚轴、子叶张开的光形态建成表型，类似于黑暗下生长的pifq (pif1 pif3 pif 4 pif5) 四突变体。遗传分析显示pifq f1 f3六突变体的下胚轴长度显著短于Col，并短于亲本pifq和f1 f3；说明PP6和PIFs协同抑制了植物在黑暗下的光形态建成(Figure 1)。作者通过生化实验证实，PP6能与PIF3和PIF4蛋白直接相互作用，并调控PIF3和PIF4的去磷酸化修饰。另外，转录组分析显示PP6和PIFs共同调控大部分基因的表达；转录激活实验进一步证实PP6正调控PIF的转录活性。红光会诱导PIF蛋白迅速的降解(Lorrain et al.,2008)，该研究发现PP6对PIF4蛋白的去磷酸化修饰能减缓PIF4蛋白在去黄化过程中的降解速率，并促进PIF4蛋白在持续红光下的本底积累。另外，超量表达PIF4能显著恢复f1 f3在持续红光下的短下胚轴表型。
图1 Hypocotyl lengths of Wild-type (Col), pp6(f1, f3,f1 f3)andpifmutants grown in the dark (A and B)or continuous red light (C and D)for 4 days.
该研究揭示了新型磷酸酶PP6介导PIF转录因子的去磷酸化修饰，进而抑制拟南芥光形态建成的分子调控机制。考虑到磷酸酶PP6在植物中十分保守，比如，拟南芥PP6与玉米及水稻中的PP6相比，相同氨基酸分别达到91%和94% (Dai et al., 2012)，该研究所取得的成果还将为包括玉米在内其它农作物中/下胚轴发育机制的研究提供参考，为作物耐深播农艺性状的改良提供基因资源和理论指导。
我校作物遗传改良国家重点实验室的博士生余晓丹和耶鲁大学的博士后董杰为该论文的共同第一作者，代明球教授和邓兴旺教授为该论文的共同通讯作者。北京大学的陈浩东副研究员、美国Wilkes University的William Terzaghi教授也参与了该项工作。该研究受到国家重点研发计划(2017YFA0503800)、中国国家自然科学基金(31671256, 31621001)和作物遗传改良国家重点实验室自主创新计划(ZW13A0401)的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1907540116
