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γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)是一种由四个碳原子组成的非蛋白质氨基酸，于生物界中广泛存在。在动物中，它作为信号分子存在，是一种重要的抑制性神经递质。在植物中，生物胁迫(动物和昆虫咬食、微生物入侵等)或非生物胁迫(缺氧、盐胁迫、热胁迫、冷胁迫、干旱胁迫和机械损伤等)都能引起GABA快速积累。GABA通过一个较短的通路进行代谢，从三羧酸循环(TCA cycle)中的α酮戊二酸起始，经多步反应后生成琥珀酸仍然进入TCA循环，被称为GABA支路。在该通路中GABA由进化上保守的谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase, GAD)催化谷氨酸脱羧生成，在GABA转氨酶(GABA transaminase, GABA-T)作用下转化为琥珀酸半醛(succinic semialdehyde，SSA)。因此GABA的积累可以通过激活GAD或/和抑制GABA-T的表达来实现。
GABA在植物中被认为既是一种重要的代谢物也是一种信号分子，有不少相关研究致力于阐明这一问题，但一直缺乏合适而全面的遗传学材料，此外调控GABA合成的信号通路也未被阐明。在本研究中，我们对GABA在植物中的功能和调控有了新的认识和进一步的了解：
通过分子遗传学操作，获得了GAD多突变体gad1/2/4/5植株，体内只含有几乎检测不到的微量GABA，同时获得了GAD过表达转基因株系，含有极高水平的内源GABA。在液体培养的整株拟南芥小苗中，GABA的本底水平主要由GAD1和GAD2共同维持，而对于在土壤中播种并正常生长2周大小的植物来说，GAD2催化生成的GABA占整个地上部分GABA总含量的80%。在过表达C末端删除的GAD2(OEGAD2ΔC)两个独立株系中，GABA积累量达到了野生型的200倍。
OEGAD2ΔC植株叶片发黄，不同光照时长条件下生长不一致，对N营养缺乏敏感。过表达植株叶片发黄的程度决定于GABA的浓度，当GABA水平适度增加时叶片呈淡绿色，Fv/Fm的值与野生型没有差异，因此GABA可能并不会直接影响植物的光合效率。但PSII相关的超复合体和其单体的量都明显减少。在N营养极度缺乏的固体培养基上生长时，gad1/2/4/5突变体根长要显著长于野生型，而OEGAD2ΔC根长显著短于野生型，说明GABA会影响N代谢、对植物生长可能有负调控作用。我们推测过量GABA的合成会加速TCA循环、影响C/N代谢，同时能量被大量浪费，最终导致植物叶片发黄、营养生长延长。
拟南芥体内GABA含量在Pst接种后被快速诱导上升，该诱导在gad多突变体中被严重削弱，不同的GAD基因在植物抗病过程中有不同的调控机制。在Pst-avrRpt2处理后野生型GABA含量上升20倍，在gad1/2/4中GABA的诱导水平减少95%，说明这三个GAD基因对Pst-avrRpt2诱导产生的GABA有主要贡献。然而，植物由于Pst入侵而引发的对这3个基因的表达调控却不一样：GAD1上调了大约35倍，GAD2下调1倍多。特别是GAD4被上调了60倍，达到了和GAD2一样的相对(EF1α)表达量，却没有在植株整体范围内积累GABA，说明它在植物的抗病过程中有重要功能，但其作用机理与GAD1、GAD2不一样。我们推测，GAD1、GAD2和GAD43个基因在植物抗病过程中的作用机理和调控机制都不一致。flg22引起的PTI不能使gad1/2/4/5的气孔关闭，揭示GABA在病原菌入侵引起的气孔关闭中有重要作用，这一作用可能涉及到它的信号功能。待细菌进入到胞外空间之后，存在其间的GABA又能作为一种营养物质促进细胞生长，因此富含GABA的植物像OEGAD2ΔC以及gaba-t突变体更易感病。
在Pst感染拟南芥的过程中，活化的MPK3/MPK6调控GAD基因的表达和GABA的水平。条件型活化的NtMEK2DD(DD)激活MPK3/MPK6，极大的上调GAD4和GAD1基因表达，分别为24612倍和24倍，同时GAD2下调139倍。遗传学证据表明该诱导/抑制更大程度上依赖于MPK3。在DEX处理后的DD转基因植物中，GABA含量可在24小时内提高300倍。DD;gad4植物中DD诱导的GABA合成量减少85%，说明GAD4在其中起主要作用。在mpk3和mpk6单突变体中，由Pst浸染所诱导的GABA相对野生型积累量大大减少。活化的MPK3/MPK6极有可能通过调控GAD4限制细菌入侵。
综上所述，本研究建立了良好的遗传学材料体系，揭示GABA在植物的营养生长和抗病性中都有重要作用。另外，我们证明了MPK3/MPK6是植物在受到细菌感染时调控GABA水平的重要元件。
GABA在植物中被认为既是一种重要的代谢物也是一种信号分子，有不少相关研究致力于阐明这一问题，但一直缺乏合适而全面的遗传学材料，此外调控GABA合成的信号通路也未被阐明。在本研究中，我们对GABA在植物中的功能和调控有了新的认识和进一步的了解：
通过分子遗传学操作，获得了GAD多突变体gad1/2/4/5植株，体内只含有几乎检测不到的微量GABA，同时获得了GAD过表达转基因株系，含有极高水平的内源GABA。在液体培养的整株拟南芥小苗中，GABA的本底水平主要由GAD1和GAD2共同维持，而对于在土壤中播种并正常生长2周大小的植物来说，GAD2催化生成的GABA占整个地上部分GABA总含量的80%。在过表达C末端删除的GAD2(OEGAD2ΔC)两个独立株系中，GABA积累量达到了野生型的200倍。
OEGAD2ΔC植株叶片发黄，不同光照时长条件下生长不一致，对N营养缺乏敏感。过表达植株叶片发黄的程度决定于GABA的浓度，当GABA水平适度增加时叶片呈淡绿色，Fv/Fm的值与野生型没有差异，因此GABA可能并不会直接影响植物的光合效率。但PSII相关的超复合体和其单体的量都明显减少。在N营养极度缺乏的固体培养基上生长时，gad1/2/4/5突变体根长要显著长于野生型，而OEGAD2ΔC根长显著短于野生型，说明GABA会影响N代谢、对植物生长可能有负调控作用。我们推测过量GABA的合成会加速TCA循环、影响C/N代谢，同时能量被大量浪费，最终导致植物叶片发黄、营养生长延长。
拟南芥体内GABA含量在Pst接种后被快速诱导上升，该诱导在gad多突变体中被严重削弱，不同的GAD基因在植物抗病过程中有不同的调控机制。在Pst-avrRpt2处理后野生型GABA含量上升20倍，在gad1/2/4中GABA的诱导水平减少95%，说明这三个GAD基因对Pst-avrRpt2诱导产生的GABA有主要贡献。然而，植物由于Pst入侵而引发的对这3个基因的表达调控却不一样：GAD1上调了大约35倍，GAD2下调1倍多。特别是GAD4被上调了60倍，达到了和GAD2一样的相对(EF1α)表达量，却没有在植株整体范围内积累GABA，说明它在植物的抗病过程中有重要功能，但其作用机理与GAD1、GAD2不一样。我们推测，GAD1、GAD2和GAD43个基因在植物抗病过程中的作用机理和调控机制都不一致。flg22引起的PTI不能使gad1/2/4/5的气孔关闭，揭示GABA在病原菌入侵引起的气孔关闭中有重要作用，这一作用可能涉及到它的信号功能。待细菌进入到胞外空间之后，存在其间的GABA又能作为一种营养物质促进细胞生长，因此富含GABA的植物像OEGAD2ΔC以及gaba-t突变体更易感病。
在Pst感染拟南芥的过程中，活化的MPK3/MPK6调控GAD基因的表达和GABA的水平。条件型活化的NtMEK2DD(DD)激活MPK3/MPK6，极大的上调GAD4和GAD1基因表达，分别为24612倍和24倍，同时GAD2下调139倍。遗传学证据表明该诱导/抑制更大程度上依赖于MPK3。在DEX处理后的DD转基因植物中，GABA含量可在24小时内提高300倍。DD;gad4植物中DD诱导的GABA合成量减少85%，说明GAD4在其中起主要作用。在mpk3和mpk6单突变体中，由Pst浸染所诱导的GABA相对野生型积累量大大减少。活化的MPK3/MPK6极有可能通过调控GAD4限制细菌入侵。
综上所述，本研究建立了良好的遗传学材料体系，揭示GABA在植物的营养生长和抗病性中都有重要作用。另外，我们证明了MPK3/MPK6是植物在受到细菌感染时调控GABA水平的重要元件。