Nature Plant 封面故事之十七 （2018年第11期）：Genetic colour code

絕大多數(shù)的橙子果實(shí)呈現(xiàn)淺黃色或者綠色,。但是不同的柑橘具有不同的合成花青素的潛力,，因此可以呈現(xiàn)不同的果實(shí)顏色。目前已知柑橘中的花青素是由Ruby2–Ruby1 基因簇負(fù)責(zé)合成,。

ICE1是一個(gè)研究冷脅迫的人所必知的一個(gè)基因,，因此關(guān)于它的近期2篇研究論文也是充滿了傳奇的一段歷程。

研究背景

CBF類轉(zhuǎn)錄因子在低溫鍛煉過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,。CBFs基因在低溫脅迫早期被快速誘導(dǎo)表達(dá),，激活下游冷響應(yīng)COR基因的表達(dá)，但是在低溫脅迫后期被關(guān)閉,。

科學(xué)問題：

實(shí)現(xiàn)對(duì)CBF轉(zhuǎn)錄因子這一精細(xì)調(diào)控的分子機(jī)制并不清楚,。

研究結(jié)論：

通過生物化學(xué)手段，發(fā)現(xiàn)BIN2蛋白激酶與CBFs基因上游轉(zhuǎn)錄因子ICE1互作并磷酸化ICE1，促進(jìn)后者的降解,，最終降低了CBFs基因的表達(dá),，表明BIN2對(duì)ICE1的磷酸化是CBFs基因的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因素。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)BIN2的激酶活性在植物受冷脅迫早期會(huì)顯著降低,，而在后期回復(fù)至脅迫前的水平,。這表明植物在感受到冷信號(hào)后，會(huì)通過某種機(jī)制抑制BIN2的作用,，釋放對(duì)ICE1的抑制作用從而誘導(dǎo)CBF基因表達(dá),，增強(qiáng)植物的耐低溫能力；而在后期,，BIN2的激酶活性恢復(fù),，防止過度響應(yīng)對(duì)植物自身造成傷害。這項(xiàng)研究證明BIN2對(duì)ICE1的調(diào)控是植物冷響應(yīng)過程的一個(gè)重要開關(guān),，對(duì)揭示植物應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制有重要意義,。

基因表達(dá)調(diào)控模式圖如下：

Figure 1.

Proposed Model of the Role of BIN2 in Modulating Cold-Stress Responses through Regulating ICE1 Stability in Arabidopsis.

原文題目：BIN2 negatively regulates ICE1 stability in response to cold stress in Arabidopsis （Plant Cell 2019年第11期）

反轉(zhuǎn)發(fā)生在五個(gè)月后2020年4月

Plant Cell 最新研究否定了ICE1在植物冷脅迫過程中的作用

轉(zhuǎn)錄因子ICE1長期以來被認(rèn)為是提高植物對(duì)冷脅迫耐受性的master regulator。來自冷環(huán)境的植物通?？梢匀淌芊抢鋬鰷囟?/span>low nonfreezing temperatures的耐受性,，被稱為冷適應(yīng)cold acclimation。CBF/DREB1 transcription factors是高等植物中保守的調(diào)控植物冷適應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子,。擬南芥基因組編碼了三個(gè)CBF/DREB1 genes （CBF1/DREB1B, CBF2/DREB1C, and CBF3/DREB1A）,，它們在～4°C條件下被快速誘導(dǎo)，同時(shí)誘導(dǎo) CBF/DREB1-targeted COR (cold-regulated) genes,，從而提高了freezing tolerance,。Chinnusamy et al. (2003)發(fā)現(xiàn) ICE1 (Inducer of CBF Expression1)可以正向誘導(dǎo)CBF3/DREB1A從而提高植物的 freezing tolerance。ICE1是一個(gè)MYC-like basic helix-loop-helix 轉(zhuǎn)錄因子,。通過ice1突變體ICE1(R236H)（該突變體有一個(gè)236位的氨基酸替換R變H)的研究證實(shí)了該突變體抗冷性顯著下降,，同時(shí)CBF/DREB1基因表達(dá)下調(diào)。

2008年ICE1被認(rèn)定為是一個(gè)調(diào)控植物氣孔發(fā)育的一個(gè)基因,。ICE1以及它的同源基因SCRM2/ICE2被證明可以通過與核心的氣孔轉(zhuǎn)錄因子SPEECHLESS形成復(fù)合物來促進(jìn)氣孔的分化,。  ice1-2 scrm2-1突變體中缺少氣孔，這與spch mutant表型一致,。功能獲得性突變體scrm-D提高了氣孔基因 EPF1的表達(dá),，形成了一種作者稱之為“令人尖叫”“screaming”葉片表皮細(xì)胞，該表皮細(xì)胞充滿了氣孔,。更為重要的是 scrm-D功能獲得型突變體與之前的ice1突變部位和突變類型完全一致,。葉片表皮細(xì)胞如下圖：

 Kidokoro et al. (2020) 的研究challenge the thinking ICE1在調(diào)控CBF/DREB1 genes表達(dá)過程中的重要作用。

1. genetic analysis of the ice1-1 mutant：作者將 ice1-1 mutant與transgenic line carrying the emerald luciferase (ELUC) reporter fused to a portion of the CBF3/DREB1A promoter進(jìn)行雜交,，獲得了1AR::ELUC  construct,。F2代群體分析發(fā)現(xiàn) the ice1-1/scrm-D 中氣孔的增加與 EPF1的表達(dá)沒有與 impaired cold induction of the 1AR::ELUC reporter or CBF3/DREB1A共分離. 而且轉(zhuǎn) ice1-1 gene并沒有降低冷誘導(dǎo)的內(nèi)源 CBF3/DREB1A 基因表達(dá). 這些結(jié)果顯示 ice1-1/scrm-D突變并不是導(dǎo)致CBF/DREB1A基因表達(dá)被抑制的原因,，這與2003年的結(jié)果完全相反(Chinnusamy et al., 2003)。如果不是ice1-1/scrm-D,，到底是什么引起了ice1-1/scrm-D突變體中CBF3/DREB1A表達(dá)被抑制呢,？原因在于轉(zhuǎn)基因引起的甲基化:在轉(zhuǎn) ice1-1基因中的植物中的 a CBF3/DREB1A::LUC transgene 引起了內(nèi)源 CBF3/DREB1A的甲基化

Kidokoro et al. (2020)研究也存在 troublesome mystery. 2020年研究中用到的突變體 ice1-1(ABRC stock number CS67843)存在著 CBF3/DREB1A::LUC transgene，該片段轉(zhuǎn)基因后位于哪個(gè)染色體片段的位置不清楚,。而且這個(gè)片段CBF3/DREB1A::LUC transgene在原始的突變體 ice1-1中并不存在(ABRC stock number CS67845),。因此，2020年研究中的ice1-1突變體與2003年研究中的ice1-1突變體是不是一個(gè)突變體,？

Nevertheless, the genetic analysis presented by Kidokoro et al. (2020), in conjunction with their ice1-1 transformation experiment, provides a compelling case that the ICE1(R236H) protein encoded by ice1-1/scrm-D does not impair the cold induction of CBF3/DREB1A.（但是無論如何作者確實(shí)發(fā)現(xiàn)了ICE1與CBF/DREB1 genes表達(dá)沒有影響）

 wild-type ICE1對(duì)CBF/DREB1表達(dá)有沒有影響,？Kidokoro et al. (2020) 發(fā)現(xiàn) ICE1 overexpression對(duì)3個(gè)CBF/DREB1 genes的冷誘導(dǎo)表達(dá)沒有影響. 而且, null T-DNA insertion mutations ice1-2 and scrm2-1對(duì)任何的 CBF/DREB1基因表達(dá)均沒有影響。ice1-2 scrm2-1 double mutation對(duì) CBF1/DREB1B and CBF2/DREB1C表達(dá)也沒有影響,，只對(duì)CBF3/DREB1A有瞬時(shí)誘導(dǎo).

Kidokoro et al. (2020) 的結(jié)果與諸多前人的結(jié)果相反：the results of Ding et al. (2015) and Kim et al. (2015) indicate that the ice1-2 mutation reduces peak cold induction of the CBF/DREB1 genes by 15 to 55%, depending on the gene and study. Also, whereas Kidokoro et al. (2020) found that overexpression of ICE1 had no effect on cold induction of the CBF/DREB1 genes, Miura et al. (2007) reported that ICE1 overexpression increased peak expression of CBF1/DREB1B and CBF3/DREB1A by ～30% and CBF2/DREB1C by ～2.4-fold. Moreover, the same group (Miura et al., 2011) further found that an ICE1(S403A) mutation that resulted in increased ICE1 protein stability at cold temperature also resulted in about a twofold increase in cold induction of CBF3/DREB1A.

為什么會(huì)出現(xiàn)截然相反的結(jié)果,？ 答案也許很簡單，就是CBF/DREB1基因的表達(dá)調(diào)控非常復(fù)雜. CBF/DREB1 genes 被 CAMTA1,2,3,5, CESTA, BZR1/BES1, and CCA1/LHY正向調(diào)控并且被MYB15, PIF3,4,7, EIN3, and SOC1負(fù)向調(diào)控. 而且影響CBF/DREB1表達(dá)的因素還包括temperature, light, phytohormones, development, the clock, photoperiod, mechanical stress, calcium flux,。 因此ICE1對(duì)CBF/DREB1的調(diào)控的兩種不同結(jié)果可能與不同批次實(shí)驗(yàn)有關(guān)，這里面既有樣本本身的問題,，也有環(huán)境因素的影響,，ICE1和CBF/DREB1的調(diào)控關(guān)系是間接的而不是直接的）.

ICE1在冷脅迫中的功能到底如何？ICE1可以提高植物對(duì)冷脅迫的耐受性,，但很可能不是通過CBF/DREB1來調(diào)控植物對(duì)冷脅迫的耐受性,。另外，ICE1對(duì)氣孔的影響也有可能是其調(diào)控植物冷脅迫的一個(gè)重要因素,。17年前的研究確立了 ICE1-CBF-COR pathway在冷脅迫過程中的作用,，而 Kidokoro et al. (2020)的研究實(shí)際上否定了ICE1-CBF-COR pathway。2003年的研究很有可能只是在某個(gè)條件下ice1突變體中CBF/DREB1被抑制,，作者并沒有通過酵母單雜交等方法證明ICE1直接調(diào)控CBF/DREB1的證據(jù),。因此ICE1如何調(diào)控下游基因的表達(dá)或者說ICE1下游真正的直接調(diào)控靶基因值得未來繼續(xù)研究。

科學(xué)就是在否定別人的基礎(chǔ)上向前行進(jìn)的,。