5-氨基乙酰丙酸(ALA)是一種植物生長調節劑,能通過調節光合、抗氧化、離子轉運等機制來提升植物抗逆性。前期研究發現,鹽脅迫下使用外源ALA能夠促進植物根系將所吸收的Na+截留于地下部,減少向地上運輸,緩解鹽離子對光合器官傷害,但ALA對Cl−毒性的緩解機制卻了解不深。眾所周知,過量Cl−會導致植物葉綠素降解,破壞氮素穩態,嚴重時引發細胞程序性死亡。這是引起植物鹽害的重要原因。本文證明,ALA誘導上調的蘋果蛋白磷酸酶2A(PP2A)能夠促進MdCLC脫磷酸化,促進Cl−積累于根系液泡,減少其向地上部運輸,從而提高植物耐鹽性。
1. ALA增強蘋果耐鹽性并特異性誘導MdPP2AC表達
鹽脅迫下,ALA預處理可顯著緩解蘋果無根苗葉片褐化,緩解葉綠素含量下降;NaCl可誘導PP2A酶活性上升,ALA進一步強化該效應。在MdPP2AC家族中,只有基因ID為LOC103451899的MdPP2AC受到鹽脅迫和ALA共同上調,啟動子活性也被二者共同激活,提示 MdPP2AC可能是ALA誘導蘋果耐鹽性的重要候選基因。
圖1 ALA增強蘋果耐鹽性及MdPP2AC表達響應
2. MdPP2AC是ALA誘導蘋果耐鹽性的正調控因子
過表達MdPP2AC(OE)可顯著提升蘋果葉片耐鹽性,減少鹽脅迫導致的細胞死亡,維持葉綠素含量,增強SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性,抑制H2O2 、O2•¯ 及MDA積累,促進脯氨酸合成;PP2A特異性抑制劑(CT)則加劇鹽損傷,而ALA可緩解CT的抑制效應。這些證據顯示,MdPP2AC是ALA誘導蘋果耐鹽通路的關鍵下游因子。

圖2 MdPP2AC介導 ALA 促進蘋果愈傷組織耐鹽性
3. MdPP2AC介導 ALA 促進蘋果愈傷組織耐鹽性
在正常生長條件下,野\生型(WT)、OE-MdPP2AC及 RNAi-MdPP2AC蘋果愈傷組織生長沒有顯著差異;而在鹽脅迫條件下,OE-MdPP2AC 愈傷組織的鮮重顯著高于 WT 和 RNAi,抗氧化酶活性增強,O2•¯和 MDA 積累減少,同時Cl−含量顯著升高。進一步添加外源ALA,則OE-MdPP2AC細胞系上述生理響應被進一步增強,但RNAi-MdPP2AC明顯削弱ALA的促進效應。這些結果說明,MdPP2AC促進蘋果細胞內Cl−積累與氧化還原穩態,在ALA增強蘋果愈傷組織耐鹽性中發揮關鍵作用。

4. MdPP2AC促進根部 Cl−截留并減少向地上部運輸
鹽脅迫下,OE-MdPP2AC 生根苗葉片褐化程度更輕,葉綠素含量和相對含水量更高,抗氧化能力更強;OE 株系根部Cl−含量顯著升高,葉片Cl−含量降低,CT 處理則相反,ALA 可逆轉 CT 的影響。MQAE 熒光探針檢測證實,OE-MdPP2AC促進根系成熟區Cl−積累,ALA 進一步增強該效應,表明 ALA誘導的MdPP2AC能夠促進Cl−截留于根系成熟區以維持植株氯離子穩態。

圖4 MdPP2AC調控蘋果根部Cl−分布及耐鹽性
5. 蘋果全基因組MdCLC成員鑒定及其對NaCl和ALA的響應
Cl−跨膜轉運和區室化由氯離子通道蛋白(CLC)介導。在蘋果基因組中,存在著11個MdCLC家族成員,可分為6個亞家族(標記為b-g),其中 MdCLC-b1/c1/c2/d1的表達受 MdPP2AC 和 ALA 上調,提示這些基因可能參與 MdPP2AC 介導的 ALA 誘導蘋果耐鹽通路。

圖5 MdCLC基因家族成員的全基因組鑒定及其對NaCl和ALA處理的響應
6. MdPP2AC 與液泡膜蛋白 MdCLC-c2 互作
酵母雙雜交(Y2H)、雙分子熒光互補(BiFC)和螢火蟲熒光素酶互補(LCI)實驗證實,MdPP2AC 可與 MdCLC-c2 直接互作,與 MdCLC-b1 弱互作,不與 MdCLC-c1 互作。亞細胞定位顯示,MdCLC-c2 與液泡膜標記蛋白 RFP-VAC 共定位,確認為液泡膜蛋白。

圖6 MdPP2AC 與 MdCLC-c2 互作驗證及定位
7. MdCLC-c2 的 C 端 Glu684殘基是互作關鍵位點
AlphaFold 預測顯示 MdPP2AC 與 MdCLC-c2 的 C 端 CBS 結構域互作;截短實驗表明,MdCLC-c2 的 aa488-539和 aa540-758區域是互作必需的。點突變實驗證實,Glu684→Ala可完全阻斷二者互作,表明 Glu684是 MdPP2AC 與 MdCLC-c2 互作的核心殘基。

圖7 MdPP2AC 與 MdCLC-c2 互作關鍵位點鑒定
8. MdPP2AC 與 MdCLC-c2 協同 ALA 增強酵母耐鹽性
酵母Δgef1突變體對鹽敏感,異源表達MdCLC-c2可部分恢復耐鹽性,共表達MdPP2AC則顯著增強該效應,ALA處理進一步提升耐鹽性。胞內Cl−含量檢測顯示,MdCLC-c2 可促進 Cl−積累,MdPP2AC和ALA協同強化該過程。以上實驗證實,二者通過調控Cl−轉運增強細胞耐鹽性。

綜上所述,鹽脅迫可誘導MdPP2AC和MdCLC-c2表達,但二者單獨作用時Cl−轉運活力依然有限,根系Cl−向地上部運輸,引發離子毒害和氧化損傷。外源使用ALA能顯著促進MdPP2AC與MdCLC-c2表達,促進兩種蛋白在依賴MdCLC-c2的C端Glu684殘基存在基礎上發生物理互作,可能通過脫磷酸化作用來激活Cl−通道功能,將大量Cl−截留于根細胞液泡,減少向地上部轉運;同時增強SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性,清除活性氧自由基,協同維持離子與氧化穩態。因此,蘋果植株耐鹽性得到改善。
本研究揭示了“PP2AC-CLC”介導ALA耐鹽的全新分子機制,明確了關鍵互作位點,為蘋果耐鹽分子育種提供了靶點,也為ALA在鹽堿地果園的綠色應用提供了新的理論支撐。