Yan Deng、Renu Srivastava和Stephen H. Howell（来自美国爱荷华州立大学植物科学研究所和遗传、发育与细胞生物学系）于2013年11月26日在《PNAS》期刊上发表了题为“Protein kinase and ribonuclease domains of IRE1 confer stress tolerance, vegetative growth, and reproductive development in Arabidopsis”的研究论文。该研究探讨了植物中的未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response, UPR）在应对环境压力、促进营养生长和生殖发育中的关键作用，特别是通过分析IRE1蛋白激酶（PK）和核糖核酸酶（RNase）结构域的功能。
未折叠蛋白反应（UPR）是植物在应对不良环境条件时的一种重要保护机制。UPR信号通路在拟南芥中分为两个“分支”：一个分支涉及双功能蛋白激酶/核糖核酸酶IRE1，另一个分支涉及膜相关转录因子，如bZIP28。由于功能冗余，单个基因突变在UPR信号通路中通常不会产生显著的表型。本研究通过生成多个UPR信号通路突变体（如IRE1a IRE1b双突变体），揭示了IRE1在植物压力耐受、营养生长和生殖发育中的重要作用。
突变体生成与表型分析
研究首先构建了多个UPR信号通路突变体，包括IRE1a IRE1b双突变体、bZIP28单突变体及三突变体（IRE1a IRE1b bZIP28）。通过观察这些突变体在压力和非压力条件下的生长表现，发现IRE1a IRE1b双突变体在压力耐受和营养生长方面存在显著缺陷。
研究还通过互补实验，将包含PK或RNase结构域特异性突变的IRE1b构建体导入双突变体中，验证了RNase结构域在内质网（ER）压力耐受中的必要性，以及PK和RNase结构域在非压力条件下正常营养生长中的共同作用。
压力条件下的根与茎生长分析
研究分析了突变体在ER压力剂（如DTT）处理下的根和茎生长情况。结果显示，IRE1a IRE1b双突变体在压力条件下根生长显著受抑制，且这种抑制依赖于IRE1b的剪接靶标bZIP60 mRNA。然而，在非压力条件下，根和茎的生长与bZIP60无关。
研究还发现，三突变体（IRE1a IRE1b bZIP28）在非压力条件下是致死的，表明UPR信号通路在植物生殖发育中的关键作用。
IRE1结构域的功能验证
研究通过位点特异性突变（如D608N K610N、D628A、N820A）分析了IRE1b的PK和RNase结构域的功能。体外实验表明，D608N K610N和D628A突变体丧失了PK活性，而N820A突变体丧失了RNase活性。体内实验进一步验证了这些突变体在bZIP60 mRNA剪接和RIDD（Regulated IRE1-Dependent Decay）中的功能差异。
结果显示，RNase活性是ER压力耐受的必要条件，而PK和RNase活性共同促进了非压力条件下的根生长。
生殖发育分析
研究还探讨了UPR信号通路在植物生殖发育中的作用。通过分析三突变体（IRE1a IRE1b bZIP28）的花粉活力，发现该突变体导致花粉活力显著下降，表明UPR信号通路在雄性配子体发育中的重要作用。互补实验进一步验证了IRE1b的PK和RNase活性在生殖发育中的必要性。
IRE1在压力耐受中的作用
IRE1b的RNase活性是ER压力耐受的必要条件，而PK活性在压力条件下也起到一定作用。bZIP60 mRNA的剪接和RIDD过程共同参与了植物对ER压力的响应。
IRE1在营养生长中的作用
在非压力条件下，IRE1b的PK和RNase活性共同促进了根和茎的正常生长。bZIP60在非压力条件下的生长中不起主要作用。
IRE1在生殖发育中的作用
IRE1b的PK和RNase活性在雄性配子体发育中均起到关键作用，且这一过程与bZIP60无关。
该研究首次全面揭示了IRE1在植物压力耐受、营养生长和生殖发育中的多功能性。研究结果表明，IRE1的PK和RNase活性在不同生理过程中具有不同的功能分工，且UPR信号通路在植物生长发育中扮演着不可或缺的角色。
多重突变体分析
通过构建多重突变体，克服了UPR信号通路中的功能冗余问题，揭示了其在植物生长发育中的重要作用。
结构域特异性功能验证
通过位点特异性突变，明确了IRE1b的PK和RNase结构域在不同生理过程中的功能差异。
生殖发育机制的揭示
首次发现UPR信号通路在植物雄性配子体发育中的关键作用，并验证了其与bZIP60的独立性。
该研究不仅深化了我们对植物UPR信号通路的理解，还为提高作物抗逆性和优化农业生产提供了理论依据。此外，研究结果对揭示真核生物中UPR信号通路的进化保守性也具有重要参考价值。