2024年9月16日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心苗雪霞研究组题为“ACL1-ROC4/5 complex reveals a common mechanism in rice response to brown planthopper infestation and drought”的研究论文。该研究揭示了ACL1-ROC4/5复合体调控水稻抗褐飞虱和耐旱的协同性机制。

褐飞虱是一种单一性取食水稻的刺吸式害虫，且是目前为害水稻最为严重的害虫。干旱是最具有破坏性的环境胁迫之一，水稻在种植过程中需要消耗大量的水，因此水分缺失对水稻的影响更甚。褐飞虱主要在水稻茎秆基部通过刺吸式口器刺入韧皮部吸食汁液，为害严重时会导致水稻植株水分大量流失，进而导致泡状细胞皱缩、叶片呈现向内卷曲，最终干枯死亡，这一生理反应与水稻受到干旱胁迫后的响应具有高度的相似性。因此，水稻对褐飞虱的抗性可能与耐旱性密切相关，但其潜在机制仍不清楚。

该研究发现，ACL1（Abaxially curled leaf 1）基因编码一种没有已知保守结构域的小蛋白，并在表皮中特异性表达。ACL1-D植株是ACL1功能获得型突变体，其叶片中泡状细胞数量增加、体积增大导致叶片向外卷曲，并且植株蜡质含量显著降低。在耐旱鉴定和抗褐飞虱鉴定中，ACL1-D植株均表现出敏感表型。而ACL1编辑植株蜡质含量增加，耐旱性和抗褐飞虱性能增强。ROC（Rice outermost cell-specific）家族是一类表皮特征性蛋白，属于HD-Zip IV转录因子家族。依赖TurboID的邻近蛋白标记技术筛选到774种可能与ACL1互作的蛋白，其中有三种ROC蛋白被鉴定到较高的肽段数量。随后，通过荧火素酶双分子互补实验、免疫共沉淀实验、酵母双杂交实验等生化实验证明了ACL1与ROC1-8存在蛋白互作。ROC4和ROC5分别通过调控水稻蜡质生物合成和泡状细胞发育，正调控水稻耐旱性和对褐飞虱的抗性。ROC4和ROC5的过量表达均能恢复突变体ACL1-D植株在多种相关表型上的缺陷。通过荧火素酶双分子互补实验和免疫共沉淀实验证明ACL1能够竞争结合ROC4/5，阻碍其同源和异源二聚体的形成。水稻中的三个TPRs（TOPLESS-related proteins）也在依赖TurboID的邻近蛋白标记技术中被鉴定到较高的肽段数量，而ACL1蛋白结构上也具有能够与TPR互作的EAR motif。通过荧火素酶双分子互补实验和酵母双杂交实验证明ACL1与三个TPR均能互作。因此，ACL1可能通过招募TOPLESS抑制ROC4/5转录调控能力。

该研究揭示了ACL1–ROC4/5复合体通过调控水稻表皮蜡质含量和泡状细胞发育，协同调控水稻耐旱和抗褐飞虱的机理。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生陶之欢为本文第一作者，苗雪霞研究员和时振英研究员是论文通讯作者。苗雪霞研究组在读博士生朱琳、李海超副研究员、已毕业博士生孙波，北京市农林科学院刘雪老师、李大勇老师，分子植物卓越中心公共技术服务中心胡文利老师和王姗姗老师也参与了该研究。该研究获得了国家自然科学基金和杂交水稻国家重点实验室的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52436-w

ACL1–ROC4/5复合体协同调控水稻对干旱和褐飞虱的抗性模式图