爆发！1周内连发Nat Plants和Nat Communi, 山东大学白明义组揭示植物碳-氮平衡的分子机制

近期，山东大学生命科学学院白明义教授课题组在一周内连续在Nature Communications和Nature Plants上发表论文，分别揭示了植物叶片中特异分布的过氧化氢通过调控SnRK1活性促进气孔发育的分子机理和SnRK1感受植物体内碳水化合物和硝态氮的代谢变化，调控硝态氮信号转导，进而维持植物碳-氮平衡的分子机理。具体如下：1. 2022年8月26日，白明义教授课题组在Nature Communications发表了题为 Spatially patterned hydrogen peroxide orchestrates stomatal development in Arabidopsis 的研究论文。该研究揭示了植物叶片中特异分布的过氧化氢通过调控SnRK1活性促进气孔发育的分子机理。

DCMU是植物光合作用抑制剂，曾报道其能促进KIN10 从细胞质转运到细胞核。研究人员发现DCMU处理能诱导植物体内过氧化氢（H2O2）积累，在用KI处理清除植物体内的H2O2后，发现DCMU诱导KIN10进核的能力显著降低，说明DCMU可能通过诱导H2O2的积累来促进KIN10进核。H2O2处理的实验证明H2O2能诱导KIN10进核，且这个过程不依赖新KIN10蛋白的合成。这些结果表明H2O2促进KIN10从细胞质转运到细胞核。
基于KIN10在叶表皮细胞中存在特异的亚细胞定位，研究人员猜测H2O2是否在叶表皮细胞中也存在特异的空间分布。经过分析发现H2O2特异在气孔拟分生组织细胞和保卫细胞中高度富集，这与KIN10的核定位情况高度吻合。进一步研究显示调控植物气孔发育的关键转录因子SPCH能直接抑制活性氧清除基因CAT2和APX1在气孔拟分生组织细胞中的表达，从而使得H2O2在气孔拟分生组织细胞中积累。CAT2和APX1的功能缺失，会扰乱H2O2特异的空间分布，并促进气孔发育，而用SPCH启动子驱动CAT2特异在气孔系细胞表达会显著抑制气孔的形成。以上结果表明，H2O2特异的空间分布对气孔的发育至关重要。

KIN10的亚细胞定位受到SnRK1调节亚基KINβ的调控。研究工作显示H2O2在体内和体外都显著抑制KIN10和KINβ2的相互作用。此外，过表达KINβ2会抑制KIN10的核定位，而KINβ2的突变体能增强KIN10的核定位。遗传实验显示KINβ2过表达株系会抑制气孔发育，而KINβ2及其同源基因KINβ1的功能缺失突变体会促进气孔发育。这些结果表明，H2O2能抑制KIN10与KINβ2的相互作用，进而促进KIN10进核。综上所述，植物气孔发育关键转录因子SPCH通过抑制CAT2和APX1的表达，使得H2O2特异在气孔拟分生组织细胞中高度积累；积累的H2O2抑制KIN10与KINβ的相互作用，进而促进KIN10在气孔拟分生组织细胞中的细胞核定位；最终，核定位的KIN10磷酸化SPCH，提高SPCH的蛋白稳定性，从而形成一个正反馈循环，促进气孔发育。

2. 2022年9月1日，山东大学生命科学学院白明义团队在Nature plants在线发表题为“ Regulatory functions of cellular energy sensor SnRK1 for nitrate signalling through NLP7 repression”的研究成果，揭示了SnRK1感受植物体内碳水化合物和硝态氮的代谢变化，调控硝态氮信号转导，进而维持植物碳-氮平衡的分子机理。

植物的SNF1-Related Kinase1 (SnRK1)是一种进化上保守的能量感受器，当能量供应有限时，可以协调转录调控网络以维持细胞的能量稳态。首先，白明义课题组通过酵母双杂交筛选的方法鉴定到SnRK1的催化亚基KIN10可以与植物硝态氮信号转导的关键转录因子NLP7相互作用。进一步实验表明低光强，短日照或光合作用抑制剂DCMU处理引起的光合不足会显著抑制硝态氮促进的子叶扩展、侧根伸长和下游调控基因的表达，但这种抑制效果在kin10突变体中明显减弱。此外，过表达KIN10抑制了植物对硝态氮的响应，使得大约34.5%的氮响应基因不再被硝态氮调控。这些结果表明，KIN10是植物感知光合产物匮乏调控硝态氮响应的关键组分，是联系光合作用与硝态氮信号的重要枢纽。

研究人员进一步探究，利用生化、细胞生物学等综合手段，揭示了SnRK1抑制硝酸盐信号转导的分子机制。硝态氮处理会诱导NLP7转移到细胞核，但在光合产物匮乏时，硝态氮诱导NLP7进核的能力显著降低。KIN10能够磷酸化NLP7的第125位丝氨酸和第306位丝氨酸，使NLP7滞留在细胞质并促进其降解。NLP7S125DS306D（模拟被KIN10磷酸化的形式）可以抑制NLP7促进的基因表达和植物生长发育，NLP7S125AS306A（模拟不能被KIN10磷酸化的形式）则能恢复nlp7突变体氮敏感的表型。硝态氮处理会诱导NLP7S125AS306A定位在细胞核调控氮响应基因表达，而NLP7S125DS306D主要定位在细胞质，不能进核发挥功能。此外，研究人员还发现在光合作用产物匮乏时会诱导NLP7蛋白发生降解，但对NLP7S125AS306A蛋白没有显著影响。以上结果表明，KIN10磷酸化NLP7使其滞留在细胞质降解，进而抑制植物硝态氮信号转导。

综上两项研究，作者推测逆境胁迫条件下积累的活性氧会促使KIN10进入到细胞核，核中积累的KIN10磷酸化NLP7，导致NLP7转运到细胞质然后降解，从而抑制植物硝态氮信号转导。此外，该课题组还有工作显示BR信号转导中的负调控激酶BIN2能磷酸化KINβ，增强KIN10与KINβ的相互作用，而BR通过抑制BIN2的活性促进KIN10转运到细胞核。

综上所述，SnRK1激酶作为植物体内中枢能量感受器，不仅能被碳水化合物和氮代谢所调控，还能被活性氧所激活，而被植物生长促进激素BR所抑制。SnRK1整合植物体内的代谢信号、内源激素以及外源环境刺激来调控NLP7活性，进而调控植物硝态氮信号。

来源：山东大学和小柯生命

转自：“iPlants”微信公众号

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