干旱是限制作物产量的一个主要因素，全球变暖和气候变化对作物生产构成重大威胁。在干旱胁迫下，植物激素脱落酸（ABA）控制气孔开度，调节植物蒸腾作用和根系吸收水分，ABA反应调节可以提高作物水分利用效率。利用小分子ABA受体激活剂激活ABA受体，促进ABA信号转导，是提高植物抗旱性的一种很有前途的生物技术工具。

2023年3月10日，国际顶级杂志Science Advances发表了瓦伦西亚理工大学植物分子生物研究所Rodriguez教授团队题为“Structure-guided engineering of a receptor-agonist pair for inducible activation of the ABA adaptive response to drought”的研究论文，该研究基于受体-配体-磷酸酶三元复合体结构驱动的配体迭代循环和受体优化的化学-遗传正交法，实现了ABA信号的有条件和高效率的激活，开发出一种具有优化作物水分利用效率潜力的生物技术工具。

首先，作者以CsPYL1-ABA-HAB1复合体的结构为目标，从ZINC数据库中集中识别潜在的ABA受体激动剂，在对最合适的分子进行可视化分析之后，购买了五个化合物并且测试了它们在CsPYL1存在的情况下抑制拟南芥PP2C HAB1的能力，其中N-benzyl-1,4-dimethyl-2-oxo-1,2-dihydro-quinoline-6-sulfonamide（SB）在体外显示出活性。作者进一步研究了SB与不同ABA受体的体外活性，在100μM SB作用下，PYL5和PYL10均能抑制HAB1磷酸酶活性75%以上。接下来作者测试了SB在WT Col-0和PYL5-或PYL10-过表达系上的体内活性，SB降低了PYL5-和PYL10-过表达系的成苗率，但在WT种子中即使在100μM也没有活性。这些结果表明，SB是一种弱激动剂，当其靶点过度表达时，在体内更具活性（图一）。

图一： ABA受体激动剂SB的鉴定及CsPYL1-Sb-ATHAB1复合体的结构分析

鉴于PYL10对SB的敏感性是PYL1的20倍，作者利用CsPYL-SB-HAB1复合体和PYL10的结构特征设计了一种对SB具有增强敏感性的CsPYL11突变体（CsPYL15m）。接下来获得了由35S启动子驱动的表达和CsPYL1和CsPYL5m的拟南芥突变体，并选择表达水平相似的T3植株分析它们对ABA和SB的敏感性。35S：CsPYL1和35S：CsPYL5m突变体对ABA介导的成苗抑制表现出相似的敏感性，而CsPYL5m突变体对10uM SB敏感，而35S：CsPYL1即使是100μM SB也不受影响。这些结果表明，CsPYL5m的结构导向修饰在体内是有效的，并表明突变的受体结合SB的能力增强。

图二：对SB增敏的CsPYL1^5m受体的结构导向设计

遗传和化学方法的结合是增强ABA信号转导的有利工具，于是作者测试了iSB07和iSB09在表达CsPYL1和CsPYL15m受体的拟南芥转基因植株中的应用。与表达CsPYL1的植株相比，表达CsPYL15m的植株对激动剂介导的种子萌发抑制更敏感，此外iSB09比iSB07有效三倍。同样，在表达CsPYL15m的植物中，iSB07和iSB09对幼苗建立的抑制作用明显高于CsPYL1系。此外，iSB09化合物在5μM时能够抑制WT COL-0的成苗，而在表达CsPYL15M的植物中这一剂量被减少到0.5μM。接下来，作者测试了iSB07和iSB09介导的对WT Col-0和CsPYL15m系5天幼苗根生长的抑制作用。在10μM浓度下，iSB07和iSB09对WT植株的根生长没有明显的抑制作用，但对CsPYL15M系的根生长有明显的抑制作用。因此，作者认为iSB07或iSB09与CsPYL15m的结合是激活ABA信号、促进ABA反应的有力工具(图三)。

图三：与合成的CsPYL1^5m受体相结合，iSB07和iSB09化合物在体内显示出更强的激动剂效力

最后，作者通过对化合物处理后气孔导度的气体交换分析，验证了iSB07和iSB09对WT Col-0和CsPYL15m品系气孔开度的调节能力。喷施5μM iSB07或iSB09对表达CsPYL15m的转基因株系的Gs有显著影响。喷施后气孔导度的动态变化表明，iSB07诱导的转基因株系气孔导度显著降低，但低于iSB09。在基础处理Gs中，转基因系和WT之间没有显著差异。在WT中，5μM iSB09的效应不显著，但20μM iSB09可以有效地减少气孔导度，而iSB07在WT中即使在20μM也没有效果。在转基因系中，iSB09在喷药24小时和48小时后仍显著降低Gs，没有恢复的迹象。转基因株系的热成像显示，喷施iSB07和iSB09时，叶片温度升高。最后，喷施50μM ABA或100μM iSB07或iSB09的未转化烟草叶片的热成像也显示，与模拟处理相比叶片温度升高。施用iSB09化合物对提高叶温的效果最好，这表明该化合物还能促进植物的气孔关闭。结果表明，在蒸腾速率较高的作物上，喷洒iSB09甚至可能是有效的抗蒸腾剂处理（图四）。

图四：化学处理后的整株气体交换及热成像分析

综上所述，鉴于ABA受体可以在不同的植物物种之间进行功能交换，利用CsPYL15m和iSB09分子形成的正交模块可以有效地提高作物的抗旱性。

文章来源：植物生物技术Pbj