2023年11月4日，國際學術期刊Plant Cell在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(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)了鋁毒能夠促進根部線粒體H₂O₂的產(chǎn)生，進而促進抗鋁毒轉錄因子STOP1的氧化和降解，而硫氧還蛋白TRX1介導STOP1還原的新機制。

　　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。鋁毒被報道能在短時間內(nèi)迅速促進H₂O₂的積累，而H₂O₂的升高可以對植物細胞產(chǎn)生直接危害，也可以作為信號分子參與調(diào)控植物對逆境的響應。然而，目前尚不清楚鋁毒誘導的H₂O₂積累是否參與鋁毒信號轉導和植物對鋁毒抗性的調(diào)控。

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

　　該研究組利用受STOP1調(diào)控的pAtALMT1:LUC報告基因系進行正向遺傳篩選，鑒定了一個使報告基因表達下降的突變體rae6；該突變導致STOP1蛋白積累下降，從而表現(xiàn)對鋁毒更敏感?；蚩寺“l(fā)現(xiàn)，RAE6編碼一個線粒體定位的P類型的PPR蛋白。進一步的功能解析發(fā)現(xiàn)，RAE6主要通過調(diào)控線粒體基因nad5的剪切從而影響線粒體復合物I的完整性和功能。在rae6突變中，由于線粒體復合物I功能存在缺陷，導致突變體線粒體中H₂O₂含量上升。而且，鋁毒能夠同時促進擬南芥野生型和rae6突變體中線粒體H₂O₂的積累。在rae6突變中過量表達H₂O₂清除基因CAT2或?qū)₂O₂產(chǎn)生基因RBOHD進行突變能夠挽救rae6對鋁毒敏感的表型。這些結果表明，rae6對鋁毒敏感的表型主要由于H₂O₂含量上升導致。

　　由于rae6突變體中H₂O₂和STOP1水平呈現(xiàn)負相關，因此猜測STOP1可能受到氧化修飾而導致降解。通過LC-MS和一系列生化實驗，證明了H₂O₂能夠在體內(nèi)和體外對STOP1上的C8、C27、C185三個位點進行氧化修飾，這三個位點的氧化修飾促進了STOP1與F-box蛋白RAE1互作，從而導致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的敲除突變或過量表達能夠相應地增加或減少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突變通過促進根中線粒體H₂O₂的積累來介導STOP1上C8、C27、C185位點的氧化，從而增強STOP1與F-box蛋白RAE1的互作、促進STOP1降解，最終削弱植物抗鋁毒能力的機制。此外，為了抵消H₂O₂介導的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在鋁毒信號轉導過程中的負調(diào)控作用，它并不參與鋁毒激活MEKK1-MKK1/2-MPK4的信號途徑，該MPK途徑的上游鋁毒信號傳導還有待作進一步研究。

　　中國科學院分子植物科學卓越創(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、張陽博士和上海師范大學任巍巍博士生、戴紹軍教授、張輝教授也參與了部分研究。該研究受到了中國科學院、國家自然科學基金面上項目和植物分子遺傳國家重點實驗室等的資助。

　　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RAE6調(diào)控線粒體復合物I的組分基因nad5的剪切。rae6突變和鋁毒促進線粒體H₂O₂的積累，進而引起STOP1的氧化，然后通過增強與F-box蛋白RAE1的互作促進STOP1的降解，從而導致STOP1下游基因ALMT1和MATE表達的下降，最終減弱植物對鋁毒的抗性。此外，硫氧還蛋白TRX1通過與STOP1互作催化STOP1的還原。