2023年11月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Plant Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃朝鋒研究組題為“H₂O₂ negatively regulates aluminum resistance via oxidation and degradation of the transcription factor STOP1”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了鋁毒能夠促進(jìn)根部線粒體H₂O₂的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)抗鋁毒轉(zhuǎn)錄因子STOP1的氧化和降解，而硫氧還蛋白TRX1介導(dǎo)STOP1還原的新機(jī)制。

　　鋁毒是作物在酸性土壤生產(chǎn)的主要限制因子，也是僅次于干旱的第二大非生物逆境。鋁毒被報(bào)道能在短時(shí)間內(nèi)迅速促進(jìn)H₂O₂的積累，而H₂O₂的升高可以對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生直接危害，也可以作為信號(hào)分子參與調(diào)控植物對(duì)逆境的響應(yīng)。然而，目前尚不清楚鋁毒誘導(dǎo)的H₂O₂積累是否參與鋁毒信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和植物對(duì)鋁毒抗性的調(diào)控。

　　鋅指轉(zhuǎn)錄因子STOP1是植物中保守的、關(guān)鍵的抗鋁毒因子。該研究組之前的研究表明，STOP1在轉(zhuǎn)錄后水平受到包括泛素化、SUMO化、磷酸化、mRNA輸送復(fù)合物等在內(nèi)的多重調(diào)控。鋁毒能夠通過(guò)激活MEKK1-MKK1/2-MPK4途徑促進(jìn)STOP1磷酸化和穩(wěn)定性。有報(bào)道暗示在植物抗病過(guò)程中ROS可能參與激活MPK途徑，但是不知道是否鋁毒通過(guò)促進(jìn)H₂O₂產(chǎn)生來(lái)激活MEKK1-MKK1/2-MPK4途徑。

　　該研究組利用受STOP1調(diào)控的pAtALMT1:LUC報(bào)告基因系進(jìn)行正向遺傳篩選，鑒定了一個(gè)使報(bào)告基因表達(dá)下降的突變體rae6；該突變導(dǎo)致STOP1蛋白積累下降，從而表現(xiàn)對(duì)鋁毒更敏感。基因克隆發(fā)現(xiàn)，RAE6編碼一個(gè)線粒體定位的P類(lèi)型的PPR蛋白。進(jìn)一步的功能解析發(fā)現(xiàn)，RAE6主要通過(guò)調(diào)控線粒體基因nad5的剪切從而影響線粒體復(fù)合物I的完整性和功能。在rae6突變中，由于線粒體復(fù)合物I功能存在缺陷，導(dǎo)致突變體線粒體中H₂O₂含量上升。而且，鋁毒能夠同時(shí)促進(jìn)擬南芥野生型和rae6突變體中線粒體H₂O₂的積累。在rae6突變中過(guò)量表達(dá)H₂O₂清除基因CAT2或?qū)₂O₂產(chǎn)生基因RBOHD進(jìn)行突變能夠挽救rae6對(duì)鋁毒敏感的表型。這些結(jié)果表明，rae6對(duì)鋁毒敏感的表型主要由于H₂O₂含量上升導(dǎo)致。

　　由于rae6突變體中H₂O₂和STOP1水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，因此猜測(cè)STOP1可能受到氧化修飾而導(dǎo)致降解。通過(guò)LC-MS和一系列生化實(shí)驗(yàn)，證明了H₂O₂能夠在體內(nèi)和體外對(duì)STOP1上的C8、C27、C185三個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行氧化修飾，這三個(gè)位點(diǎn)的氧化修飾促進(jìn)了STOP1與F-box蛋白R(shí)AE1互作，從而導(dǎo)致STOP1的降解。在rae6突變體中引入氧化修飾缺陷的STOP1或rae1突變能夠挽救rae6對(duì)鋁毒敏感的表型。

　　最后，作者發(fā)現(xiàn)硫氧還蛋白TRX1能夠與STOP1互作催化它的還原。TRX1的敲除突變或過(guò)量表達(dá)能夠相應(yīng)地增加或減少STOP1的氧化，從而減少或增加STOP1的蛋白含量，最終減弱或增強(qiáng)植物的抗鋁毒能力。

　　綜述所述，該研究闡明了鋁毒和rae6突變通過(guò)促進(jìn)根中線粒體H₂O₂的積累來(lái)介導(dǎo)STOP1上C8、C27、C185位點(diǎn)的氧化，從而增強(qiáng)STOP1與F-box蛋白R(shí)AE1的互作、促進(jìn)STOP1降解，最終削弱植物抗鋁毒能力的機(jī)制。此外，為了抵消H₂O₂介導(dǎo)的STOP1氧化，硫氧還蛋白TRX1與STOP1互作催化STOP1的還原（圖1）。該研究揭示了H₂O₂在鋁毒信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的負(fù)調(diào)控作用，它并不參與鋁毒激活MEKK1-MKK1/2-MPK4的信號(hào)途徑，該MPK途徑的上游鋁毒信號(hào)傳導(dǎo)還有待作進(jìn)一步研究。

　　中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生魏祥、博士畢業(yè)生朱儀方為論文的共同第一作者，黃朝鋒研究員是該論文的通訊作者。黃朝鋒研究組的謝文香博士、張陽(yáng)博士和上海師范大學(xué)任巍巍博士生、戴紹軍教授、張輝教授也參與了部分研究。該研究受到了中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的資助。

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad281/7344683?searchresult=1

圖1 調(diào)控STOP1氧化和穩(wěn)定性的工作模型。線粒體定位的PPR蛋白R(shí)AE6調(diào)控線粒體復(fù)合物I的組分基因nad5的剪切。rae6突變和鋁毒促進(jìn)線粒體H₂O₂的積累，進(jìn)而引起STOP1的氧化，然后通過(guò)增強(qiáng)與F-box蛋白R(shí)AE1的互作促進(jìn)STOP1的降解，從而導(dǎo)致STOP1下游基因ALMT1和MATE表達(dá)的下降，最終減弱植物對(duì)鋁毒的抗性。此外，硫氧還蛋白TRX1通過(guò)與STOP1互作催化STOP1的還原。