Unnatural agrochemical ligands for engineered abscisic acid receptors
- 作者
- Pedro L. Rodriguez, Jorge Lozano-Juste
- 单位
- Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas- Universidad Politécnica de Valencia, 46022 Valencia, Spain; Department of Botany and Plant Sciences, Center for Plant Cell Biology, Institute for Integrative Genome Biology, University of California, Riverside, CA 92521, USA
- 杂志
- Trends in Plant Science（2015）
- DOI
- 10.1016/j.tplants.2015.04.001
- 所属领域
- 合成生物学 / 农业生物技术
- 关键词
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解决的核心问题
如何使现有农用化学品赋予植物新的抗旱功能，通过蛋白工程改造ABA受体使其被农用化学品激活，以控制作物水分利用并提高干旱耐受性。
研究策略
以拟南芥ABA受体PYR1为支架，对其配体结合口袋进行饱和突变、组合突变和DNA洗牌诱变，筛选能够结合并将农用化学品mandipropamid作为激动剂的PYR1MAND突变体；并在拟南芥和番茄中验证其激活ABA信号通路、控制气孔开关和提高抗旱性的能力。
核心内容
该研究以拟南芥脱落酸（ABA）受体PYR1为支架，通过饱和突变、组合突变及DNA洗牌诱变改造其配体结合口袋，旨在将现有农用化学品转化为ABA信号通路的正交激动剂。研究从15种农用化学品中筛选出能与突变受体弱结合的候选物，经多轮定向进化获得对杀菌剂mandipropamid具有纳摩尔级敏感性的六重突变体PYR1MAND，该突变体可在体外抑制磷酸酶HAB1活性。晶体结构解析揭示了突变受体与配体及磷酸酶三元复合物的结合模式。在拟南芥中过表达PYR1MAND并施加mandipropamid，可诱导ABA样转录响应、控制气孔开闭、降低蒸腾并提升干旱耐受性；在番茄中表达该受体同样能有效调控叶片温度。鉴于干旱可使作物平均产量降低50%至80%，且农业消耗全球70%的淡水资源，该策略为利用化学遗传学手段改良作物抗旱性、实现水资源高效利用提供了新途径，开拓了将现有农药用于植物激素信号调控的合成生物学思路。
创新点
1. 首次提出将现有农用化学品转化为植物激素信号通路的正交激动剂；2. 构建了高亲和绑定非天然配体的PYR1MAND六重突变体；3. 解析了突变受体-配体-磷酸酶三元复合物的晶体结构；4. 证明该方法在拟南芥和番茄中可有效控制叶片温度和水分利用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | ABA信号通路 | PYR1 | PYR1 (PYRABACTIN RESISTANCE 1) | 调控 | ABA受体，感知ABA启动信号，工程改造的模板 |
| 拟南芥 | ABA信号通路 | HAB1 | HAB1 (PP2C) | 催化 | A类蛋白磷酸酶2C，ABA受体抑制其活性 |
| 拟南芥 | ABA信号通路 | SnRK2s | SnRK2蛋白激酶 | 催化 | 被PP2C去磷酸化失活，活化后启动下游磷酸化级联 |
| 拟南芥 (表达PYR1MAND) | ABA信号通路 | PYR1MAND | PYR1MAND突变受体 | 调控 | 工程化受体，纳摩尔亲和力响应mandipropamid，不响应ABA |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | ABA信号通路 | PYR1MAND | PYR1MAND突变受体 | 调控 | 35S:PYR1MAND转基因番茄，mandipropamid处理控制叶片温度 |
关键发现
- 通过饱和突变筛选了15种农用化学品，其中4种能与PYR1突变体弱结合
- 进一步组合突变和洗牌突变获得六重突变体PYR1MAND，对mandipropamid具有纳摩尔级敏感性，可在体外抑制PP2C HAB1。在拟南芥中过表达PYR1MAND并施加mandipropamid，可诱导ABA样转录响应、控制蒸腾并提高干旱耐受性
- 在番茄中表达35S:PYR1MAND，该组合可控制叶片温度。干旱可使作物平均产量降低50%-80%，农业消耗全球70%的淡水资源。
研究结论
通过工程化ABA受体，将现有农用化学品mandipropamid转化为ABA信号通路的正交激动剂，可在转基因植物中实现干旱保护，且该化学品在无工程受体的植物中只保留原有杀菌功能，无不良副作用。该策略为利用化学遗传学手段改良作物抗旱性提供了新思路。