研究表明HY5是光調節氣孔發育的關鍵參與者

　　2021年6月7日，Nature Communications在線發表了新加坡國立大學生物科學系On Sun Lau教授課題組完成的題為“Light regulates stomatal development by modulating paracrine signaling from inner tissues”的研究論文。該研究發現存在于葉肉細胞中的光形態建成關鍵調控因子Elongated HYPOCOTYL 5（HY5）也是光調節氣孔發育的關鍵參與者，由此確立了光信號與氣孔發育之間跨組織層面（葉肉-表皮）的分子聯系，為環境信號因子協調組織類型生長的網絡機制提供了新見解。

　　研究背景

　　植物發育的過程和模式產生是由內在和外在因素及其之間的相互作用共同決定的。氣孔是植物氣體交換的基本孔道，它的產生具有極強的可塑性，并成為在細胞譜系水平上研究內/外因素相互作用的優選系統。對于植物來說，光是關鍵的外部因素，它能夠促進氣孔發育以及氣孔主控調節因子SPEECHLESS（SPCH）的積累。然而，目前尚不清楚光信號是如何傳遞以影響SPCH的。

　　主要結果

　　對不同光強度處理下子葉下表皮的氣孔密度（SD）和氣孔指數（SI）進行分析發現，WT的SD和SI都與光強度呈正相關，即在低光下呈最低數值，在較高光強度下數值增加。hy5突變體的SD和SI在所有光照條件下都顯著低于WT。相反的是，HY5過表達株系的氣孔數量明顯高于WT，表明HY5正調控光介導的氣孔發育。由于氣孔源自氣孔譜系細胞，進一步對幼苗早期氣孔譜系細胞群進行比較發現，HY5同樣在其中發揮正調控作用，說明HY5轉錄因子是促進光響應條件下氣孔發育的關鍵因子。

　　bHLH轉錄因子SPCH是氣孔前體特化和增殖所必需的主控調節因子。本研究發現SPCH表達受光的誘導，而光誘導的SPCH積累在hy5突變體中嚴重受損（圖1），表明HY5在光促進的SPCH表達過程中起關鍵作用，且HY5作用于SPCH的上游。

　　圖1. HY5調控光誘導的SPEECHLESS積累

　　已知SPCH蛋白被抑制性MAPK組件磷酸化和下調，HY5可能通過抑制MAPK信號來促進SPCH積累和氣孔產生。編碼激發氣孔發育分泌肽的STOMAGEN能夠抑制MAPK組件，從而穩定SPCH，因此推測STOMAGEN可能是受HY5影響的靶標。表達分析結果顯示，HY5正調控STOMAGEN的表達并參與其對光的響應。表達報告分析發現，HY5蛋白存在于STOMAGEN表達的葉肉中，表明HY5可能調控這些細胞內的STOMAGEN表達。經EMSA、ChIP-qPCR等進一步驗證發現，光誘導的HY5可以在葉肉細胞層中積累，并直接結合和激活STOMAGEN。

　　通過構建HY5葉肉特異性表達載體并將其導入hy5突變體中，結果發現其在很大程度上挽救了hy5的氣孔缺陷表型，且在低光和高光條件下將氣孔數量恢復至WT水平（圖2）。這些結果表明葉肉表達的HY5足以促進氣孔發育，并且可能在介導光依賴的氣孔響應中起重要作用。

　　圖2. 葉肉表達的HY5能夠驅動氣孔發育

　　表型分析發現，STOMAGEN敲降（amiR-stomagen）和功能缺失分別顯示氣孔數量的普遍減少和增加。除此之外，amiR-stomagen和STOMAGEN過表達株系對光強度變化的響應性降低。與WT不同的是，它們在低光和高光下的SI無顯著差異。這表明STOMAGEN 對光調控過程至關重要。遺傳關系分析顯示，HY5在氣孔發育調控中的功能依賴于STOMAGEN，即HY5作用于STOMAGEN上游。

　　一圖解文

　　光抑制COP1以促進HY5積累。在葉肉中，HY5與STOMAGEN啟動子結合并誘導其表達。STOMAGEN的增加反過來抑制表皮氣孔譜系的抑制性信號通路，從而促進SPCH的積累和氣孔數量的增加。因此，HY5-STOMAGEN 模塊可能代表了允許光信號調節SPCH的必要環節。此外，作者指出由于葉肉細胞是光合作用的主力，因而該模塊可能使內部組織中的細胞在被光激活時向表皮氣孔的產生發出信號，以進行碳的吸收。

　　圖3. HY5-STOMAGEN模塊促進光介導氣孔發育的模型