近年来全球变暖作为热点话题之一，受到广泛关注。温度作为重要的环境因子参与调控植物生长发育的多个方面，对农业生产有着极为重要的影响。因此，对温度的感知和信号转导机理的研究将有助于我们为后续的分子育种提供理论依据。植物热感知机制一直是植物研究的前沿领域，特别是寻找植物的“热感受器”更是该领域的最为重要的课题，我们公众号iPlants之前也推出了评论文章：【Trends in Plant Science】寻找植物“热感受器”！
Nature杂志在线发表了来自英国剑桥大学Philip A. Wigge课题组题为“A prion-like domain in ELF3 functions as a thermosensor in Arabidopsis”的研究论文。该研究揭示拟南芥中ELF3蛋白中含有朊病毒样结构域（PrD），而该结构域在高温下可以通过相变使ELF3在活动状态和非活动状态之间快速转换来感应外界温度。因此，该文揭示了ELF3蛋白中的PrD结构域是植物中的热感受器。
在拟南芥中，生物钟的核心组分晚转录抑制复合体(Evening Complex， EC)在晚间会抑制PIF4/5的转录，使植物下胚轴的生长速度在黎明时达到峰值。其由3种蛋白复合而成，包括支架蛋白和响应温度的ELF3、小的α螺旋蛋白ELF4和DNA结合蛋白LUX等三种蛋白。其中ELF3含有聚谷氨酰胺（polyQ）重复序列，预测为朊病毒结构域的区域（PRD）。此外，之前有研究发现自然种群的各种拟南芥生态型中的 ELF3包含的polyQ重复的长度为7至29个的长度变化，并且与表型变异相关。
该研究首先研究了polyQ重复序列的长度是否影响ELF3活性？研究结果表明在elf3-1突变体中互补不同polyQ长度的ELF3转基因，其长度越长，热感应性越好，说明拟南芥中ELF3的PrD在拟南芥的温度感受中起作用。此外，该研究发现相比拟南芥，生长在温带气候的马铃薯的StELF3具有更小的预测PRD，而二穗短柄草的BdELF3则没有预测具有PRD区域，在27摄氏度条件下其两者蛋白在拟南芥中不能热响应。此外，通过嵌合的ELF3-BdPrD显示出对温度响应性开花的抑制，证实来自拟南芥的PrD 具有热响应性。由于ELF3是温度依赖性转录阻遏物，该研究进一步确认随着温度的升高，ELF3在靶基因上的占有率也发现变化，并且这个过程依赖PrD，表明PrD直接调节了靶基因上ELF3结合的热响应性（见下图）。
该研究接下来探讨了温度是否直接调控ELF3活性？因此，该研究构建了ELF3-GFP融合蛋白转基因植物，研究发现在17°C时ELF3-GFP具有扩散信号，而在35°C时会形成多个明亮的斑点，并且随polyQ长度的增加也导致形成斑点的趋势更大。进一步研究纯化了与GFP（PrD–GFP）融合的ELF3 PrD，研究发现ELF3 PrD在低温下更易溶解，而降低盐浓度和pH值会诱导PrD-GFP发生相变，形成微米级的球形液滴发生相分离，中点温度在28.7±1.8°C。以上结果说明了ELF3能够采用两种构象，一种活性的可溶形式，以及在较热的温度下可以看到明亮斑点的高阶多聚体形式，两种形式都是可逆的。
综上所述，该研究表明ELF3的PrD可作热感受器。温度通过相变使ELF3在活动状态和非活动状态之间快速转变来感受温度的变化，这是以前从未知道的热感受机制。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2644-7
文章来源“iPlants”公众号
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