DES1产生的H2S介导HY1调控拟南芥气孔关闭分子机制

The transduction of ABA signals by stomatal guard cells underpins drought stress tolerance in plants and is fundamental to plant stress biology. Our previous results have showed that heme oxygenase1 (HY1) regulates stomatal closure and drought tolerance through interaction with ABI4 (Xie et al., 2016 Plant Physiol). Moreover, L-cysteine desulfidase (DES1), which produces H2S, may also be involved in HY1-ABI4-regulated Arabidopsis stomatal closure (unpublished data). However, the related molecular mechanisms remain to be elucidated. In the proposed study, the spatial and temporal responses of DES1/H2S to ABA will be investigated in guard cells through laser scanning confocal microscope. By constructing genetic mutants, the biological mechanisms of stomatal regulation by DES1/H2S-mediated HY1-ABI4 signalling will be elucidated, with particular emphasis on HY1. The regulatory elements of DES1/H2S will also be explored at the cellular and molecular levels. Combined with forward genetic and immunological approaches, the key components of DES1/H2S mediated ABA signalling will be explored. The expected results will deepen our current understanding of the regulatory patterns and response components of DES1/H2S-regulated stomatal closure. The knowledge gained will not only expand our understanding of plant drought tolerance, but will also provide new ideas for the enhancement of plant drought tolerance.

气孔保卫细胞对ABA的信号转导是植物耐旱机制的重要理论基础，也是植物逆境生物学的研究热点之一。我们最近发现，血红素加氧酶HY1通过ABI4调控拟南芥气孔关闭和耐旱性（Xie et al., 2016 Plant Physiol），半胱氨酸脱巯基酶DES1产生的H2S很可能介导HY1-ABI4信号，但其相关机制还有待阐明。本课题拟结合激光共聚焦等细胞生物学手段研究DES1/H2S对ABA的时空应答规律；通过构建遗传突变体，以HY1为重点阐明DES1/H2S介导HY1-ABI4调节气孔关闭的生物学机制，在基因水平挖掘DES1/H2S的调控元件；结合正向遗传学和免疫学的手段尝试探索DES1/H2S介导的ABA信号的上下游关键组分。预期结果将从分子细胞生物学的角度阐明DES1/H2S在气孔保卫细胞运动中的调控新模式和感应组分，进一步丰富植物干旱信号转导理论，对提高植物耐旱性的实践措施提供理论指导。

脱落酸（ABA）是植物重要的逆境响应激素，保卫细胞对ABA的信号转导是植物耐旱机制的重要理论基础。研究发现L-半胱氨酸脱巯基酶（DES1）催化产生的硫化氢（H2S）作为保卫细胞中重要的气体信号分子，参与ABA诱导的气孔关闭。最近的发现表明，H2S具有促使蛋白质Cys残基的硫醇基团（R-SH）转变为过硫化基团（R-SSH）的能力，这种翻译后修饰作用被称为蛋白质过硫化/硫巯基化修饰（persulfidation）。蛋白质过硫化修饰是一种基于氧化还原状态的修饰，然而在高等植物中这一翻译后修饰的机制仍然知之甚少。本课题以保卫细胞为模型，在植物硫化氢与干旱胁迫响应的研究中取得了一系列进展：.1. 发现了拟南芥保卫细胞产生的硫化氢介导拟南芥HY1-DES1信号调控气孔关闭和耐旱能力（Zhang et al., Plant Cell Environ, 2020）；.2. 揭示硫化氢与保卫细胞ABA合成在响应脱水胁迫中的遗传学关系，发现DES1与保卫细胞内ABA合成相关，而ABA的合成对干旱诱导的DES1表达和植物的抗旱性至关重要（Zhang et al., J Adv Res, 2020）；.3. 探究了硫化氢和过硫化修饰参与调控拟南芥保卫细胞气孔运动的分子机制，发现硫化氢介导DES1（第44和205位半胱氨酸）和RBOHD（第825和890位半胱氨酸）的硫巯基化修饰调控保卫细胞ABA信号转导（Shen et al., Plant Cell, 2020）；.4. 此外，在疫情期间，以综述文章形式概述了目前硫化氢在植物生长发育以及胁迫应答过程中的功能及调节机制，硫化氢介导的过硫化修饰在其中的调控机制，并对后续研究硫化氢生物学功能的方向及可能进行了展望，如优化蛋白质组学方法提高过硫化修饰蛋白的检测精度和灵敏度、尝试硫化氢相关供体在农业实际生产中的应用等（Zhang et al., J Integr Plant Biol, 2021; Zhao et al., Plant Physiol Biochem, 2020）。