ZmLBD1通过促进根系生长，赋予拟南芥多重非生物胁迫耐受性

《Plant Stress》：ZmLBD1 confers multi-abiotic stress tolerance in Arabidopsis by enhancing root growth

多胁迫响应的LBD转录因子ZmLBD1通过调控PGIP1基因增强玉米耐逆性及其分子机制

　　本研究聚焦于一种名为ZmLBD1的玉米特异性蛋白，探索其在植物应对多种非生物胁迫中的作用。LBD蛋白是一类植物特有的转录因子（TFs），其特征在于N端的保守侧器官边界（LOB）结构域以及C端的可变区域。这类蛋白最初被认为是调控植物器官发育的关键因子，近年来的研究逐渐揭示其在胁迫响应中的潜在作用。在本研究中，我们通过将ZmLBD1在拟南芥中表达，观察到其在低无机磷酸盐（Pi）、NaCl和干旱胁迫下表现出增强的耐受性，同时改善了根系发育。这一发现不仅拓展了LBD蛋白的功能范围，还为开发抗逆作物提供了新的基因资源。

低无机磷酸盐、盐碱和干旱是影响全球作物生长和产量的主要非生物胁迫因素。据估计，全球约40%的可耕地存在磷素缺乏的问题，这是由于植物根系对土壤中磷离子的吸收能力有限。干旱胁迫可使作物产量下降15%-50%，而盐碱胁迫则会导致马铃薯块茎产量减少38.7%。植物适应这些胁迫的过程涉及复杂的调控机制，包括形态、生理和生化适应策略。基因表达的变化是植物适应胁迫的重要细胞和分子策略之一。已有研究表明，许多具有不同功能的基因在多种非生物胁迫下被诱导表达。不同的转录因子在植物胁迫响应中发挥着整合信号的作用，通过调控相关基因的表达来适应环境变化。

LBD蛋白的结构特征使其在植物生长和发育中扮演重要角色。基于序列相似性和系统发育分析，LBD TFs可分为I类和II类亚家族。大多数LBD蛋白属于I类亚家族，主要参与调控植物发育过程和信号转导。相反，II类LBD基因则更多地参与细胞代谢过程，如花青素生物合成和氮素稳态调控。例如，LBD13在伸长的侧根和侧根分生组织中表达，并正向调控侧根形成。OsLBD3-7则作为叶背卷曲细胞发育的上游调控基因，在水稻中过表达可诱导叶背卷曲。最近的研究发现，LBD蛋白在非生物胁迫响应中也发挥重要作用。例如，ZmLBD5的过表达增加了干旱胁迫的敏感性，抑制了脱落酸的合成，导致气孔密度和开度增加，以及蒸腾作用增强。PheLBD29则在叶片中高度表达，导致叶片弯曲并增强抗旱能力。

尽管已有研究揭示了LBD蛋白在植物生长发育中的重要性，但其在非生物胁迫响应中的作用仍不完全明确。本研究通过将ZmLBD1在拟南芥中过表达，发现其在低Pi、NaCl和干旱胁迫下显著提升了植物的耐受能力。过表达植株表现出更高的叶和根部Pi含量，以及更高的PHO2基因表达水平。PHO2基因在维持植物体内磷平衡中起着重要作用，通过调控磷的吸收和转运来响应磷饥饿。此外，过表达植株在干旱胁迫下表现出更少的叶片萎蔫和卷曲，更高的叶绿素荧光（Fv/Fm）值，以及更低的离子泄漏率，表明其在提高植物抗逆性方面具有积极作用。

为了进一步阐明ZmLBD1在非生物胁迫响应中的作用机制，我们进行了蛋白质互作分析。结果表明，ZmLBD1与ZmCDC48相互作用，后者可能通过调控ZmLBD1的降解来影响其活性。ZmCDC48是一种细胞周期蛋白，参与蛋白质的泛素化修饰和响应刺激的调控。通过BiFC和Co-IP实验，我们确认了ZmLBD1与ZmCDC48的相互作用。进一步的体外降解实验显示，在zmcdc48突变体中，ZmLBD1的降解被显著抑制，这表明ZmCDC48在调控ZmLBD1的稳定性方面具有重要作用。同时，我们发现ZmLBD1在胁迫条件下被诱导表达，其蛋白积累量随时间增加，这可能与其在胁迫响应中的功能密切相关。

RNA-seq分析揭示了ZmLBD1过表达对植物基因表达的影响。结果表明，ZmLBD1能够显著调控多个基因的表达，其中PGIP1（聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白1）在低Pi、NaCl和干旱胁迫下被显著上调。PGIP1是一种典型的富含亮氨酸重复序列的抗病因子，通过抑制病原体中的聚半乳糖醛酸酶（PG）活性来增强植物的抗病能力。然而，除了在抗病中的作用，PGIP1在非生物胁迫响应和花器官发育中也表现出差异表达特性，表明其可能在植物发育和胁迫响应中发挥双重作用。通过EMSA实验，我们发现ZmLBD1能够特异性结合PGIP1启动子中的ABRE元件，从而增强其转录活性。这一发现进一步支持了ZmLBD1对PGIP1的直接调控作用。

此外，我们还进行了转录组分析，以深入了解ZmLBD1在非生物胁迫下的调控机制。结果表明，ZmLBD1过表达显著改变了植物的基因表达模式，其中多个与胁迫响应相关的基因被上调。这些基因包括参与防御反应、胁迫响应、刺激响应、水杨酸响应、病原体响应等。通过RT-qPCR验证，我们发现ZmLBD1过表达显著提升了PGIP1的表达水平，而zmcdc48突变体中PGIP1的表达也有所增加，但程度较弱。这表明ZmLBD1在调控PGIP1表达方面具有重要作用，而ZmCDC48可能通过影响ZmLBD1的稳定性来间接调控PGIP1的表达。

综上所述，ZmLBD1在非生物胁迫响应中表现出显著的调控能力，其通过与ZmCDC48的相互作用影响自身的稳定性，并通过调控PGIP1的表达来增强植物的抗逆性。这一发现不仅拓展了LBD蛋白的功能，还为作物抗逆性改良提供了新的思路。通过进一步研究ZmLBD1与其他调控因子的互作网络，可以更全面地理解其在植物适应环境胁迫中的作用机制，从而为培育抗逆作物奠定理论基础。