小肽类激素及其富含亮氨酸重复受体激酶（LRR-RKs），在植物的各种生长发育和环境响应过程中发挥了重要的调控作用。在模式植物拟南芥中，目前已鉴定到的小肽就有1000多个，它们大都由前体基因编码，并在基因组中存在多个同源拷贝。典型的小肽前体都有C端的家族特异性保守序列，通过蛋白酶剪切和翻译后修饰（部分小肽），从而产生成熟的功能性小肽激素。它们的N端一般都具有质外体定位信号序列，在小肽加工成熟的同时，可通过细胞分泌途径最后将成熟的小肽分泌到细胞外，从而与邻近细胞上膜定位的受体进行识别结合，并诱导下游的细胞信号和响应。在拟南芥中，已经确定的LRR-RK基因有251，根据激酶结构域被细分为15个亚家族。目前已知的LRR-RKs功能可分为两类：小肽受体和辅助受体，比如以BAK1为典型的SERK辅助受体。虽然辅助受体不直接与小肽结合，但可促进小肽和受体的结合并维持其稳定性，其缺失同样会影响植物的生长发育和环境响应。有趣的是，目前已知的和小肽配对的受体大多数属于X、XI和XII亚家族，特别是XI亚家族。
PSY1（PLANT PEPTIDE CONTAINING SULFATED TYROSINE）是一个18氨基酸的成熟型小肽，具有酪氨酸硫酸化和羟脯氨酸阿拉伯糖基化修饰。已有研究表明，PSY1能促进根系的生长，增加细胞的大小，促进幼苗角质层的发育，以及通过磷酸化激活质膜上的H+-ATP酶AHA2。然而，识别PSY1的受体是什么，仍然未知。
2022年10月14日，Science在线发表了日本名古屋大学Yoshikatsu Matsubayashi团队题为“Peptide ligand-mediated trade-off between plant growth and stress response”的研究论文。该研究发现了PSY的三个受体PSYR1，PSYR2和PSYR3，它们可在未结合PSY的情况下诱导植物的逆境响应并抑制植物的生长，而PSY的结合可抑制受体下游信号并允许植物生长；揭示了植物平衡生长和逆境响应的分子机制。
DOI: 10.1126/science.abq5735
该研究首先发现PSY是一个含9个成员的小肽家族，并把重点放在与PSY1序列相近的三个小肽上，PSY5、PSY6和PSY8。通过LC-MS/MS检测过表达PSY5、PSY6或PSY8的拟南芥细胞分泌的小肽，该研究发现PSY5、PSY6和PSY8的成熟型是分别21、14和14氨基酸，存在酪氨酸硫酸化修饰，但缺乏羟脯氨酸的阿拉伯糖基化修饰。利用光亲和标记（photoaffinity labeling）在拟南芥LRR-RK X 和XI亚家族的受体激酶表达文库中，该研究筛选到三个相关的LRR-RK（At1g17230、At2g33170和At5g63930）可直接与标记的PSY5 和PSY6互作，并将它们命名为PSYR1，PSYR2和PSYR3。另外，通过竞争性结合实验，该研究显示，其他PSY成员也可与这些受体结合（Figure 1）。
Figure 1. PSY小肽和三个LRR-RK的直接结合
为了研究PSY5、PSY6和PSY8的生物学功能，研究人员构建了psy5psy6psy8三突变体，但发现该三突变体在植物生长方面并没有明显的表型；表明PSY小肽之间具有功能冗余性。TPST是一个单拷贝的酪氨酸硫酸化酶，负责小肽的酪氨酸硫酸化修饰。tpst突变体可显著影响植物的生长，该研究发现，外源性施加 PSY5小肽可部分恢复tpst突变体的生长；表明PSY小肽可促进植物的生长。
有趣的是，psyr1,2,3三突变体也没有明显的表型，只是主根比野生型更长些，生物量也更大些；暗示这些受体介导的信号可能会抑制植物的生长。对野生型植物施加外源性 PSY5小肽，可促进根的生长，但对psyr1,2,3三突变体没有影响；表明PSY小肽通过PSYR受体起作用。进一步研究显示，psyr1,2,3可完全回复tpst突变体的生长表型。这些结果表明，PSYR是植物生长的负调控因子，PSY小肽与PSYR的结合直接抑制其下游信号，从而促进植物的生长（Figure 2）。
Figure 2. PSY结合并抑制PSYR，从而促进植物生长
通过比较tpst与tpst/psyr1,2,3和PSY5处理下tpst植物的转录组，该研究发现，tpst/psyr1,2,3和PSY5处理下tpst植物中高达65.3%的基因表达模式相似。进一步分析显示，与已知的小肽受体信号通路不同，psyr1,2,3表现出PSY的持续性响应模式。另外，PSYR介导的基因表达有很多都与逆境响应相关；暗示 PSYR在未结合PSY的情况下，可诱导逆境响应的基因调控网络从而抑制植物生长，而PSY可抑制这些逆境响应网络从而允许植物的生长（Figure 3）。
Figure 3. PSY-PSYR信号的转录组分析
通过比较WT、psyr1,2,3、tpst和3KO Comp（psyr1,2,3回复型）及其外源性施加PSY5时在盐、高温和Pst DC3000胁迫下的表型，该研究进一步证实PSYR是植物应对多种生物及非生物胁迫所必需的。那么，PSYR在PSY未结合时是如何调控逆境响应的呢？以逆境响应基因DREB1B和MYC2为例，该研究发现，胁迫造成的细胞损伤，会使邻近细胞质外体中PSY小肽的浓度降低，从而激活PSYR信号以启动植物对逆境的响应（Figure 4）。
Figure 4. PSYR缺失可影响植物对逆境的响应
总而言之，该研究鉴定了PSY小肽的三个LRR-RK受体，PSYR1，PSYR2和PSYR3，揭示了PSY-PSYR平衡植物生长和逆境响应的分子机制：PSYR是植物生长的负调控因子，PSY的结合可抑制PSYR下游信号并促进植物的生长；当植物面临生物和非生物胁迫时，胁迫造成的细胞损伤会导致邻近细胞质外体中PSY小肽浓度的下降，未结合PSY的PSYR可诱导植物的逆境响应基因网络，并抑制植物生长以应对胁迫。
值得一提的是，Matsubayashi团队长期从事植物小肽相关的功能性研究，从小肽、受体、修饰酶到下游信号，并取得了一系列重要的成果。
转自：“iPlants”微信公众号
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