李磊课题组解析miR408平衡植物生长和抗旱的分子机制

2024年5月9日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学现代农业研究院李磊课题组在The Plant Cell在线发表了题为“The microRNA408–plantacyanin module balances plant growth and drought resistance by regulating reactive oxygen species homeostasis in guard cells”的研究论文。该项研究揭示了miR408通过调控保卫细胞中的ROS稳态和气孔运动，以平衡植物生长和抗旱的分子机制。

MicroRNA408（miR408）是陆生植物中最保守的miRNA之一，在拟南芥中以编码蓝铜蛋白plantacyanin和多铜氧化酶laccase的基因为靶标。李磊课题组对miR408–plantacyanin模块开展了系统研究，先后发现了该模块在营养生长、种子见光萌发、叶片衰老等过程中的调控作用。这些研究揭示了miR408调控铜离子向质体分配的这一共性机制，但其受到进化选择的原因仍不清楚。

本研究中，首先通过表达模式分析，确定了plantacyanin是miR408在拟南芥营养组织中的主要靶点。荧光成像显示plantacyanin表达在保卫细胞中，亚细胞定位与单个叶绿体周围的内膜相关（图1）。通过ChIP-seq、EMSA、双荧光素酶和活体成像等分子生物学方法，发现miR408启动子受到多个ABA响应转录因子的抑制，从而使plantacyanin在胁迫条件下积累。遗传分析表明，plantacyanin可提高保护细胞中的ROS含量（图1），促进气孔关闭，减少光合气体交换，增强抗旱性。此外，miR408-plantacyanin模块足以挽救因ABA响应转录因子的过表达或丧失而引起的生长和抗旱失调表型。这些结果表明miR408–plantacyanin模块通过传导ABA信号而调节ROS稳态和气孔运动：在有利生长条件下，miR408表达上升，抑制plantacyanin和ROS积累，从而打开气孔促进光合作用和生长；在逆境条件下，ABA信号抑制miR408表达，plantacyanin的积累提升ROS含量，促进气孔关闭以增强抗旱性（图2）。

图1 Plantacyanin的亚细胞定位和促进ROS积累的功能。

植物自身无法通过移动逃避环境胁迫，需要精确地平衡生长发育和胁迫应答，以适应不断变化的环境。环境变化如何影响植物生长不仅是一个基本的科学问题，而且对农业和粮食安全至关重要。据统计，不利环境对关键农作物的总体产量造成了约70%的损失，即平均产量仅为遗传产量潜力的约30%。本研究表明，陆生植物中高度保守的miR408的基本作用是通过调节气孔运动以平衡生长和抗旱性，不但为理解miR408的功能和演化提供了机制性的理解，也为培育耐旱高产作物提供了新的思路。

图2 miR408平衡植物生长和抗旱的模式图。

北京大学现代农学院博士后杨彦芝为本论文的第一作者，北京大学研究员李磊为该论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

论文链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae144/7667850