水稻PYL受体与ABA及NF-Y转录因子互作调控干旱和盐胁迫响应的结构生物学研究

本研究针对水稻干旱和盐胁迫耐受性问题，通过分子对接和动力学模拟揭示了OsPYL受体与ABA及NF-Y转录因子的互作机制。发现OsPYL8具有最强ABA结合力(-7.6 kcal/mol)，而OsPYL2与OsNF-YC3形成最大结合界面(4,524 ?2)，为ABA信号转导和转录调控提供了新见解，对培育抗逆水稻品种具有重要意义。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱和盐胁迫已成为制约水稻生产的主要环境因素。作为世界上最重要的粮食作物之一，水稻对水分和盐分高度敏感，这些胁迫会导致光合作用受阻、气孔调节失常和养分吸收紊乱，最终造成产量大幅下降。特别是在开花和灌浆期遭遇严重胁迫，可能导致小穗不育和粒重减少等不可逆损害。面对日益严峻的环境挑战，通过分子和遗传手段提高水稻抗逆性显得尤为重要。

脱落酸（ABA）是植物响应逆境胁迫的关键激素，它通过调控应激响应基因的表达来协调植物的适应反应。ABA水平的波动与胁迫信号通路中基因的上调或下调密切相关。在ABA信号感知过程中，PYR/PYL/RCAR蛋白家族扮演着受体角色：当ABA与PYL受体结合后，会引发构象变化，使其能够与2C型蛋白磷酸酶（PP2C）相互作用，从而解除PP2C对SnRK2蛋白激酶的抑制，激活下游转录因子和调控蛋白。与此同时，核因子Y（NF-Y）作为异源三聚体转录因子复合物，通过结合靶基因启动子中的CCAAT盒来调控基因表达。研究表明NF-Y在多种植物中参与增强干旱和盐胁迫耐受性，但PYL受体与NF-Y转录因子在水稻中的具体分子互作机制尚不明确。

为填补这一研究空白，研究人员聚焦于水稻PYL受体（OsPYL2、OsPYL5和OsPYL8）与NF-Y转录因子的相互作用，旨在揭示它们在干旱和盐胁迫响应中的潜在功能。研究假设特定的PYL受体能够直接或间接与NF-Y亚基互作，从而参与ABA介导的转录调控网络。

研究人员采用多种生物信息学和计算生物学方法开展系统性研究。首先通过BlastP比对和保守域分析鉴定出水稻中的132个PYL受体，其中OsPYL2、OsPYL5和OsPYL8分别与拟南芥同源蛋白具有72%、66%和80%的序列一致性。利用SWISS-MODEL进行同源建模，获得高质量的三维结构模型（GMQE评分0.81-0.88），并通过Ramachandran图、ERRAT评分和VADAR分析验证了模型可靠性。分子对接采用AutoDock Vina评估ABA结合亲和力，HADDOCK2.4用于蛋白质-蛋白质对接，MD模拟通过GROMACS进行稳定性分析，系统发育分析使用MEGA11完成。

2.1 水稻PYL受体的鉴定与序列分析

研究发现OsPYL2、OsPYL5和OsPYL8的氨基酸长度在165-208之间，分子量约17-23 kDa，等电点介于5.62-8.33。所有受体均显示负值的GRAVY（亲水平均系数），表明其亲水特性，而不稳定性指数较高预示这些蛋白可能处于动态调控中。保守域分析揭示了44个保守残基参与蛋白-配体相互作用，13个残基参与蛋白-蛋白相互作用。

2.2 蛋白质结构建模与系统发育分析

结构建模显示OsPYL8与模板具有100%序列一致性和最低RMSD值（0.05 ?），表明最高结构保真度。系统发育分析将PYL蛋白分为两个主要进化枝：Clade I包含OsPYL2和OsPYL5，与拟南芥PYL2/PYL5聚在一起；Clade II包含OsPYL8，与拟南芥PYL8同源。所有受体均保留关键的GATE loop（SGLPA）和LATCH loop（HRL）保守序列，这些结构域对ABA结合至关重要。

2.3 蛋白质-配体对接分析

分子对接揭示OsPYL8-ABA复合物具有最强结合亲和力（-7.6 kcal/mol），主要依赖范德华力相互作用；OsPYL5和OsPYL2分别显示-6.8和-6.2 kcal/mol的结合能，且存在常规氢键和碳-氢键作用。结合口袋涉及ALA、VAL、LEU、PHE等疏水残基以及HIS、ARG、GLU等极性残基。

2.4 MD模拟分析PYL-ABA复合物稳定性

通过10 ps分子动力学模拟评估复合物稳定性。RMSD分析表明OsPYL2-ABA复合物具有最低的结构偏差（最稳定），其次为OsPYL8和OsPYL5。RMSF（均方根波动）值显示OsPYL2和OsPYL5的残基波动较小，而OsPYL8表现出较高的构象柔性，这可能影响其长期稳定性。

2.5 蛋白质-蛋白质对接与界面分析

OsPYL2与NF-Y亚基的对接显示：OsPYL2-OsNF-YC3复合物具有最大界面面积（4,524 ?2）、最多热点残基（85个）和非键接触（288个），结合能为-15.9 kcal/mol，Z-score为-2.2。OsPYL2-OsNF-YB1虽然结合能最强（-16.1 kcal/mol），但RMSD较高表明结合一致性较低。界面分析发现LEU81、TYR95和VAL141等残基在所有复合物中均作为热点残基，而ARG54（OsPYL2-OsNF-YC3）和ILE78（OsPYL2-OsNF-YB1）则贡献了相互作用的特异性。

研究结论表明，OsPYL受体在ABA感知和胁迫信号转导中表现出功能分化：OsPYL8作为快速ABA传感器具有最高结合亲和力，而OsPYL2作为稳定信号枢纽在ABA复合物中表现出优异的结构稳定性，且能与NF-Y转录因子（特别是OsNF-YC3）形成稳定复合物，提示其在转录调控中的核心作用。这些发现揭示了ABA信号通路中受体特异性分工的分子基础，OsPYL2与NF-Y的互作为干旱和盐胁迫响应提供了新的协同调控机制。

该研究通过结构生物学和计算模拟方法，首次系统解析了水稻PYL受体与NF-Y转录因子的互作网络，为分子育种提供了重要靶点。OsPYL2作为关键信号整合因子，在维持ABA信号持久性和调控应激基因表达方面具有突出潜力，为开发抗逆水稻品种提供了理论依据和实践方向。未来需要通过体内实验进一步验证这些互作的功能意义，并探索通过基因编辑或分子育种手段增强OsPYL2活性的可行性。

研究结果发表于《Discover Plants》，为植物抗逆生物学领域提供了重要见解，对保障粮食安全和促进可持续农业发展具有深远意义。