Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors
- 作者
- Sang- Youl Park, Francis C. Peterson, Assaf Mosquan, Jin Yao, Brian F. Volkman, Sean R. Cutler
- 杂志
- Nature（2015）
- DOI
- 10.1038/nature14123
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏能被现有农用化学品激活的ABA受体激动剂，难以实现对植物水分利用和干旱耐受的化学控制。
研究策略
通过PYR1受体25个配体接触残基的饱和突变构建475个K59R突变体库，用酵母双杂交筛选15种农用化学品；对mandipropamid响应克隆进行组合突变、NNK位点饱和突变和DNA shuffling，获得纳摩尔级敏感的六位点突变体PYR1MANDI；通过X射线晶体学解析结构机制，并在拟南芥和番茄中验证功能。
核心内容
该研究通过受体工程策略，将现有农用化学品转化为植物ABA受体的合成激活剂，实现对植物水分利用的化学控制。研究者对ABA受体PYR1的25个配体接触残基进行饱和突变，构建475个K59R突变体库，利用酵母双杂交筛选15种农用化学品，鉴定出4种弱响应化合物。随后经组合突变、NNK位点饱和突变和DNA shuffling优化，获得对mandipropamid高度敏感的六位点突变体PYR1MANDI，其在体外PP2C抑制实验中IC50达27 nM，且不响应ABA。X射线晶体结构解析显示该受体以2.25 Å分辨率与(S)-mandipropamid结合并形成类似ABA结合的闭合构象。在拟南芥35S::PYR1MANDI转基因系中，2 μM mandipropamid处理诱导ABA样转录组响应（与ABA响应相关性r=0.90），野生型则无响应（r=0.17）；1 μM处理使叶片温度升高约2°C，干旱实验中显著提高转基因系复水后的存活率。该工作首次实现农用化学品对ABA信号通路的选择性控制，为作物抗旱改良提供了新策略。
创新点
['首次将农用化学品通过受体工程重新用于植物水分调控', '构建出对mandipropamid高灵敏（IC50=27 nM）且不响应ABA的工程受体PYR1MANDI', '晶体结构揭示配体结合口袋重塑的分子机制', '在两种双子叶植物中实现农用化学品对ABA信号通路的选择性控制']
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | ABA信号通路 | PYR1 | PYR1 | 调控 | 野生型ABA受体，作为工程改造模板 |
| 拟南芥 | ABA信号通路 | PYR1MANDI | PYR1MANDI | 调控 | 六位点突变体（Y58H/K59R/V81I/F108A/S122G/F159L），对mandipropamid敏感 |
| 本氏烟 | ABA信号通路 | PYR1MANDI | PYR1MANDI | 调控 | 瞬时表达验证与HAB1的相互作用 |
| 番茄 | ABA信号通路 | PYR1MANDI | PYR1MANDI | 调控 | 转基因番茄中控制蒸腾作用 |
| 体外 | ABA信号通路 | HAB1 | HAB1 | 调控 | clade A PP2C磷酸酶，PYR1MANDI的靶蛋白 |
| 体外 | ABA信号通路 | ABI1 | ABI1 | 调控 | PP2C磷酸酶，用于活性测定 |
| 体外 | ABA信号通路 | ABI2 | ABI2 | 调控 | PP2C磷酸酶，用于活性测定 |
| 拟南芥 | ABA信号通路 | SnRK2 | SnRK2激酶 | 调控 | 受PP2C抑制，激活后调控气孔运动 |
关键发现
- 筛选7,125个突变体-配体组合，从15种农用化学品中鉴定出4种弱响应化合物
- 经优化获得PYR1MANDI（Y58H/K59R/V81I/F108A/S122G/F159L），在体外PP2C抑制实验中IC50=27 nM（ABI1），对ABI2和HAB1的IC50分别为76 nM和32 nM
- 四突变体（K59R/V81I/F108A/F159L）IC50=50 nM。晶体结构显示该受体以2.25 Å分辨率与(S)-mandipropamid结合并形成类似ABA结合的闭合构象。在拟南芥35S::PYR1MANDI转基因系中，2 μM mandipropamid处理诱导ABA样转录组响应（与ABA响应相关性r=0.90），野生型则无（r=0.17）
- 转基因系对ABA的响应与野生型高度相关（r=0.97），基础转录水平r=0.99。1 μM mandipropamid处理使转基因拟南芥叶片温度升高约2°C，25 μM使番茄温度升高
- 干旱实验中mandipropamid处理显著提高两个独立转基因系在复水后的存活率，三次重复一致。
研究结论
通过受体工程成功将现有农用化学品mandipropamid转化为植物ABA受体的合成激活剂，实现了对植物水分利用和干旱耐受性的选择性化学控制，为作物改良提供了新策略。