2022年11月16日，Science Advances在线发表了西班牙马拉加大学-西班牙高等科学研究理事会（UMA-CSIC）Miguel A. Botellat和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH-Zürich）Clara Sánchez-Rodríguez联合团队及其合作者题为“Peripheral membrane proteins modulate stress tolerance by safeguarding cellulose synthases”的研究论文。该研究发现TTL是一种双重定位的外周膜蛋白，可与纤维素合酶互作和共迁移，是纤维素合酶复合物的新成员；盐胁迫会触发细胞溶质中TTL向质膜重新定位，从而实现纤维素合酶复合物在质膜上的稳定性和完整性；揭示了TTL在盐胁迫下调控纤维素生物合成的分子机制。
DOI: 10.1126/sciadv.abq6971
陆地植物的纤维素（cellulose）含量极高，其含碳量约1500至2000亿吨，大约是地球上其他生命形式总和的1.5至2倍。植物细胞壁中纤维素的合成，主要由纤维素合酶复合物（CSC）来完成。CSC是一个复杂的分子机器，目前已经确定的CSC主要有四个组成部分：1）起催化作用的纤维素合酶（CESA）；2）KORRIGAN，一种整合膜葡聚糖内切酶（endoglucanase），确切功能未知；3）CSI1，物理连接膜定位的CSC和皮质微管（cortical microtubules）；和4）CESA-COMPANION（CC）蛋白，在盐胁迫和真菌互作过程中维持CESA和皮质微管的稳定性。研究发现，植物的胁迫感应机制可实现细胞壁的快速可控性重塑，并减轻环境因素对植物纤维素合成的扰动，从而减轻对植物生长的影响。然而，植物在胁迫响应过程中是如何微调高度动态的CSC的，在很大程度上仍然未知。
前期通过正向遗传筛选发现，四肽类硫氧还蛋白（TTL）的功能缺失，可在盐胁迫的条件下减少根的生长和各向同性细胞扩张。同时，各种信号通路可刺激细胞溶质的TTL蛋白募集到质膜，并在质膜中充当支架，放大并稳定初始信号。对ttl1、ttl3、ttl4、ttl1ttl3和ttl1ttl3ttl4进行表型分析，该研究发现与野生型根相比，高NaCl浓度可使ttl1ttl3中的结晶纤维素含量降低；表明TTL1和TTL3与盐胁迫下的纤维素合成相关（Figure 1）。
Figure 1. CslF6可在体外合成(1,3;1,4)-β-葡聚糖
利用YFP-CESA6 mCh-TUA5标记，该研究发现，NaCl处理后30分钟内ttl1ttl3质膜上的CESA密度迅速下降，且在实验过程中未观察到CESA在质膜上的恢复。但是，荧光漂白后的恢复实验显示，YFP-CESA在野生型和ttl1ttl3中的恢复相似，排除了CESA6需要依赖TTL3递送至质膜的可能性；表明TTL可在细胞适应盐胁迫的过程中稳定皮质微管和质膜上的CSC（Figure 2）。
Figure 2. TTL3可在盐胁迫下调节CESA活性和皮质微管聚合
TLL3的N端具有IDR结构域；通过大肠杆菌表达相关蛋白，该研究发现尽管TTL3IDR也能与皮质微管结全，但与全长TTL3相比，其结合强度较弱；表明除IDR结构域外，TTL3的其他部分也在皮质微管的结合中发挥作用。进一步研究发现，TTL3在质膜上可与CESA共定位，并随着CESA共迁移；但并没有观察到与高尔基衍生物或其他囊泡结构相关的TTL；表明TTL-CESA的相互作用仅发生在质膜上（Figure 3）。
Figure 3. TTL3与CESA在质膜上的共定位和共迁移
利用酵母双杂（Y2H）和免疫共沉淀（Co-IP），研究人员证实，TTL1和TTL3可通过其N端IDR及其前两个TPR与CESA1的C端互作。通过分析比较TTL3在对照条件下或NaCl处理条件下TTL3的定位变化和动力学，该研究发现，TTL3是一种外周膜蛋白，可在盐胁迫时选择性地重新定位到质膜上（Figure 4）。
Figure 4. 盐胁迫可诱导TTL3定位到质膜上
prc1是CESA6的纤维素缺陷突变体；该研究发现，prc1可加剧ttl1ttl3的发育缺陷，表明CESA6和TTL1/3之间存在遗传互作。出乎意料的是，即使在非胁迫条件下，TTL3-GFP 也会在prc1的质膜上过度积累；此外，与野生型植物相比，TTL3-GFP在prc1的细胞溶质和微粒体部分（microsomal fraction）的水平分别增加了约6倍和12倍。这些结果表明，TTL3在纤维素合成过程中具有重要作用，尤其是在胁迫条件下（Figure 5）。
Figure 5. prc1可促进TTL3的积累并在质膜上富集
综上所述，该研究发现了CSC的新成员TTL，揭示了TTL在盐胁迫下调控纤维素生物合成的分子机制：正常情况下，CSC沿着皮质微管在质膜上进行纤维素生物合成；当植物暴露于高浓度的NaCl两小时后，会导致微管解聚和CSC从质膜转移到SmaCC中；28小时后，植物建立胁迫响应并刺激细胞溶质中TTL向质膜重新定位，以维持CSC在质膜上的稳定性和完整性，从而恢复植物的纤维素生物合成；虽然微管解聚在ttl1ttl3中并不明显，但在盐胁迫下，没有TTL蛋白的微管会被很快分解，CSC也不能维持在质膜上，从而导致纤维素合成缺陷（Figure 6）。
Figure 6. TTL在盐胁迫下调控纤维素生物合成的分子机制
来源：MP植物科学
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