【科研新进展】果树逆境生物学团队在苹果耐旱性研究中取得新进展

近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了我室果树逆境生物学团队马锋旺教授和管清美教授为通讯作者题为“Fine-tuning of SUMOylation modulates drought tolerance of apple”的研究论文。

在生物体中存在着多种转录后修饰，包括磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化和SUMO化。SUMO化修饰（Small ubiquitin-like modifier）是近年来被发现数种与泛素相类似的蛋白质之一。在二级三级结构上与泛素高度相似。SUMO化循环过程与泛素化循环过程相似，包括活化、结合、连接、修饰和解离等过程。与泛素化不同的是，SUMO化不会促进其目标蛋白质的降解。已知SUMO化修饰的功能包括：1.调节转录2.DNA损伤 3.增强蛋白质的稳定性。

作者首先通过蛋白序比对找出苹果中三个与拟南芥同源的SUMO酶。命名为MdSUMO2A, MdSUMO2B,和MdSUMO2C。并对这三个基因在苹果干旱处理下的表达模式进行了分析，发现其都受干旱诱导。MdSUMO2A在各个组织中都有表达。对苹果中SUMO2A, SUMO2B, 和SUMO2C的亚细胞定位实验发现他们在核，质膜和细胞质中都有表达。因为MdSUMO2A在各个组织中都有表达，且受到干旱诱导，所以将MdSUMO2A作为后续研究的重点对象，并创建了超表达MdSUMO2A OE和干涉MdSUMO2 RNAi的材料(图1）。

图1. MdSUMO2s 的序列、对干旱胁迫的反应和定位

对转基因材料进行干旱处理后发现，与对照相比两个转基因株系到表现出抗旱的表型。为了探究MdSUMO2A的抗旱机理，作者对干旱处理后的转基因材料进行了分析发现，与对照相比超表达株系的根系更发达有较高的导水率和光合能力。而干涉株系表现出叶片小而厚，表现出更高WUE（用水效率）同体内积累了更多的ABA。所以导致了超表达和干涉株系都表现出抗旱的表型(图2）。

图2. MdSUMO2A OE 植物对干旱胁迫的耐受性增加

为了进一步研究MdSUMO2A的分子功能机制。作者检测了GL-3 和 MdSUMO2 转基因植物在长期干旱胁迫条件下的 SUMO化修饰。与对照相比超表达株系SUMO修饰更高而干涉株系更低。同时利用质谱鉴定到MdSUMO2A的靶标MdDREB2A、MdAQP2 和 MdALI。并找到了K192 是 MdSUMO2A介导的 MdDREB2A SUMO化的主要SUMO化位点。并进行了体内和体外的MdSUMO2A介导MdDREB2ASUMO化实验。

之前的研究表明使用 SUMO 可以影响蛋白质稳定性，作者检测了在干旱条件下转基因植物中 MdDREB2A 的蛋白质水平。与对照相比，MdDREB2AOE积累更多的MdDREB2A蛋白。作者还35S::MdDREB2A 和 35S::MdDREB2AK192R 转苹果愈伤，发现转基因愈伤组织比野生型愈伤组织更能耐受干旱处理。这些结果表明 MdDREB2A 的 SUMO 化对其稳定性和活性很重要。

泛素化和SUMO作用氨基酸位点相似，作者也探究了泛素化是否也参与到了MdSUMO2A对抗旱机制的响应过程中。并干旱胁迫条件下对 MdDREB2A 进行了亲和纯化质谱 (AP-MASS) 分析。鉴定到MdRNF4，编码 E3 泛素连接酶。哺乳动物细胞和酵母中 MdRNF4 的同源物靶向 SUMO 化蛋白，通过蛋白酶体途径降解。并通过了蛋白实验进行了验证，发现MdRNF4 可以与 MdSUMO2A相互作用。并检测了转基因植株中的泛素化水平，添加 MdRNF4 2 小时会增加 MdDREB2A 的泛素化水平。然而，在超表达株系中MdDREB2A 泛素化积累更。表明 MdRNF4 介导了 MdDREB2A 泛素化。

同时作者检测了 MdDREB2A 在对照和干旱条件下 MdSUMO2 转基因植物中的泛素化。干旱胁迫后，超表达脂质具有较高水平的 MdDREB2A 泛素化，而 RNAi 植株具有较低水平。此外，干旱胁迫下RNAi 植株中积累的 MdRNF4 较少，而 OE 植株中积累的 MdRNF4 较多，这意味着 MdRNF4 介导的泛素化参与了 MdDREB2A SUMO 化和稳定性(图3）。

图3. MdRNF4 在脱水条件下介导 SUMOylated MdDREB2A 的降解

本研究获得了国家重点研发计划（2019YFD1000100），陕西省科技重大专项（2020zdzx03-01-02）等项目的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13772