【Plant Cell】研究揭示植物耐寒新机制

植物具有能力来应对各种各样的环境条件。当光照强度、温度或水分和营养物质的可利用性超出一定范围时，会引发相应的系统反应，如遗传、代谢，以及在某种程度上的形态变化。这些过程导致了新的代谢稳态，使植物能够应对环境挑战。生长温度的变化通常比水分或营养物质有效性的变化更快。因此，植物必须迅速启动适当的程序。植物细胞中膜脂质的组成在低温开始后经历动态重塑。这确保了在不利的环境条件下有足够程度的膜流动性。在植物中，脂质生物合成代表了一个复杂的代谢网络，例如，在低温下，半乳糖脂质越来越多地被掺入膜中。这些脂质是通过叶绿体内的原核脂质生物合成途径产生的。因此，通常只有少量的脂肪酸在寒冷的温度下从质体中输出，并在内质网中通过真核脂质生物合成途径合成磷脂。

叶绿体是细胞中脂肪酸从头合成的位点，与此相反，内质网中定位的脂质生物合成途径依赖于从质体中输入脂肪酸，FAX1蛋白介导质体中的脂肪酸输出，FAX1属于内膜蛋白，其暴露于低温后表现出蛋白水解降解，而其他内包膜蛋白的丰度增加，目前，FAX1蛋白响应低温反应降解的机制尚不清楚。其次，FAX1丰度的改变是否有助于植物的抗寒性也不清楚。

近日，国际著名期刊The Plant Cell在线发表题为“Degradation of FATTY ACID EXPORT PROTEIN1 by RHOMBOID-LIKE PROTEASE11 contributes to cold tolerance in Arabidopsis”研究人员发现RBL11负责冷诱导的FAX1的下调， 研究人员发现拟南芥FAX1过表达系和rbl11突变体在分子水平上显示出相似的表型；这包括强活性氧的产生和脂质生物合成向真核途径的转变。FAX1过表达和rbl11功能缺失突变体过度产生磷脂，这是由于高FAX1丰度导致脂肪酸输出不受调节。因此，FAX1过表达系和rbl11突变体表现出明显的冷敏感性和霜敏感性。总之，蛋白酶RBL11通过FAX1调节脂肪酸输出对于拟南芥适应冷生长条件至关重要。

先前的研究表明，Fatty Acid Export Protein 1（FAX1）属于内膜蛋白，其在低温开始时丰度下调。目前，已经鉴定出两大类183种蛋白酶可以切割固有的内包膜蛋白，即FTSH蛋白酶（具有亚型FTSH 7, 9, 11 , 12）和RBL蛋白酶（具有亚型RBL 10和11）。

研究人员选择FTSH11、RBL10、RBL11作为研究候选蛋白酶，为了深入了解蛋白酶和FAX1之间可能的分子相互作用，研究人员分析了转移到4°C（该实验室研究冷效应的标准温度）后相应基因的转录水平，发现一周后，检测到RBL11 mRNA显著变化，与开始时相比，其丰度高出约14倍；为了在缺乏三种蛋白酶之一的突变体中寻找特异性反应，研究人员在对照条件（21°C）下或在4°C下培养野生型和各自的功能缺失系7或56天。当在21°C下生长时，没有一个突变体表现出与野生型植物不同的表型模式。然而，在4°C下56天后，所有突变植物都表现出生长受损，即与野生型相比，玫瑰花结尺寸较小，rbl11突变体表现出枯萎的叶片。在4°C下10周后，rbl11植物的这种影响进一步加剧。对这一观察结果的量化显示，在4°C下的10周后，野生型每株植物表现出1.25片枯萎的叶子，而rbl11突变体平均每株植物显示出5片枯萎的叶片。因此，RBL11蛋白酶成为冷诱导的FAX1降解的主要候选酶，研究人员从野生型和RBL11功能丧失突变体植物中分离叶绿体包膜，并使用先前建立的FAX1抗体进行免疫印迹，发现在寒冷条件下7天后，野生型植物中的FAX1 252蛋白显著降低，与野生型对照相比，这种冷诱导的FAX1降解在rbl11突变体中几乎不存在。

图1 在标准和冷（4°C）温度条件下的拟南芥蛋白酶功能丧失突变体rbl11、rbl10和ftsh11的基因表达、表型和免疫印迹分析。

研究人员比较了野生型和rbl11植物从暴露于冷冻温度中恢复的能力，发现野生型植物能够从冷冻期中恢复，效率约为80%，并表现出42%的枯萎叶片。相反，rbl11突变体显示出从冷冻处理中恢复的能力显著降低，因为所有植物中只有28%在冷冻期存活，超过60%的叶片枯萎。

图二：rbl11功能缺失突变体冷冻期恢复受损

双分子荧光互补（BiFC）分析数据表明RBL11和FAX1在原生质体的内膜上发生物理相互作用，研究人员构建RBL11超表达株系，发现RBL11过表达株系不会导致21°C下的FAX1降解，会在4°C下会导致FAX1降解，验证RBL11负责冷诱导的FAX1降解的猜想。rbl11突变体的膜脂组成表明在低温下向真核生物生物合成途径转移。蛋白质组学分析表明，rbl11突变体具有更高水平的FAX1和其他参与膜脂质稳态的蛋白质，这表明rbl11是低温条件下膜性质重塑的关键因素。

图三：在拟南芥中，低温条件下RBL11诱导FAX1降解

图四: Wt和rbl11功能缺失突变体中半乳糖和磷脂的分析。

接着研究人员探究为了测试增加FAX1水平的拟南芥突变体对冷的敏感性的影响，研究人员构建FAX1过表达载体，发现FAX1过表达株系表现出显著增加的FAX1蛋白水平，与rbl11突变体类似，FAX1过表达株系表现出降低的抗寒性和抗冻性，脂质生物合成在低温下转移到真核生物生物合成途径，以及活性氧（ROS）积累的迹象；在冷暴露的早期时间点，FAX1过表达品系表现出光合作用受损的症状。为了进一步深入了解FAX1过表达品系抗寒性和抗冻性受损的代谢原因，研究人员通过GC-MS分析了，野生型植物和两种FAX1过表达品系的71种初级代谢产物的水平。发现与相应生长的野生型植物相比，FAX1过表达株系在低温下表现出代谢产物水平的改变。

图五：rbl11功能缺失突变体和FAX1过表达株系在低温下的花青素和活性氧（ROS）积累。

原文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae011/7577599?searchresult=1

来源：植物生物技术Pbj

转自：“iPlants”微信公众号

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