2023年5月17日，中国农业大学王涛/董江丽团队在国际一流期刊Nature Communications在线发表了题为“The thioesterase APT1 is a bidirectional-adjustment redox sensor”的研究论文，发现了植物双向调节氧化还原感受器APT1，并揭示了APT1-NAC模块在应对生物胁迫和非生物胁迫中的广谱工作机制。
植物生长过程中通常受到各种胁迫的影响，在与环境相互作用的进化过程中，植物进化出适应机制或特定的生长习性来耐受、抵抗和规避胁迫。氧化还原平衡调控是植物抗逆的重要调控机制。对植物来说，生物胁迫和非生物胁迫都伴随着次生的氧化胁迫和细胞内氧化还原稳态的失衡，而不能移动的特性决定了植物感知和响应胁迫的能力对其维持生存至关重要。研究表明多种类型的胁迫都会通过细胞内和细胞间的氧化还原网络影响生物生长发育，因此，发现植物中氧还信号的感受/传递元件、解析氧还感受器的精细工作机制、探究氧还平衡的调控方式是目前植物氧化还原生物学研究的前沿方向。本研究团队前期研究发现，在干旱胁迫下，苜蓿酰基蛋白硫酯酶 (acyl-protein thioesterases，APT1) 水解脂锚定类转录因子NACsa，使其重定位进入细胞核并上调靶基因乙二醛酶I (GLYI) 的转录水平，最终通过提高谷胱甘肽的还原型/氧化型比例 (GSH/GSSG) 来调控细胞内的氧化还原平衡，从而应对干旱胁迫（Plant Cell，2017）。然而，硫酯酶APT1是如何感受胁迫信号的？APT1酶的活性如何被调节？APT1-NAC工作系统调控氧化还原平衡是不是植物抵抗胁迫的共性机制？这些问题的解决对于理解不同类型胁迫下植物调节氧化还原平衡的不同策略和系统调控网络有着重要作用。
本研究发现APT1是一种双向调节氧化还原感受器，通过APT1-NACsa信号通路响应氧化胁迫并能负反馈调节氧化还原平衡。研究通过体内体外两方面的生理生化证据表明APT1的聚合形式影响其去棕榈酰化酶活性，从而在不同氧化还原状态下发挥不同的功能。研究表明APT1蛋白的半胱氨酸残基C20、C22和C37被S-谷胱甘肽化是造成APT1单体形成的关键因素。其中，还原型谷胱甘肽 (GSH) 发挥重要作用，其不仅可以作为强还原剂打开APT1分子间二硫键，而且可以与APT1发生小分子/蛋白的互作维持还原状态下APT1的单体形式。细胞质中的GSH作为细胞内含量最丰富的含巯基还原剂发挥抗氧化作用，线粒体和质体H2O2均能通过ASA-GSH循环 (也称Foyer-Halliwell-Asada循环) 或过氧化物酶系统解除氧化毒性。氧化胁迫下，过量的H2O2会造成GSH由还原型转化为氧化型，此时细胞内氧化还原平衡被打破，同时也使单体形式的APT1被进一步修饰，S-谷胱甘肽化减少，APT1通过分子间二硫键转变为同源四聚体形式，这种构型的改变使得APT1具有硫酯酶活性。活性APT1通过水解脂锚定转录因子NACsa的硫酯键而使其去棕榈酰化，NACsa重定位到细胞核并上调GLYI的表达量。通过荧光探针检测细胞内不同的氧化剂和还原剂含量变化，结果表明APT1-NACsa信号通路最终影响了细胞内活性氧和谷胱甘肽的水平来响应氧化胁迫，帮助植物抵御胁迫压力。进一步，将氧化胁迫去除，使植物恢复到正常生理条件下，四聚体形式的APT1会减少，而单体形式的APT1会增加，这表明了高水平的GSH可以通过促进APT1的S-谷胱甘肽化来负反馈调节APT1的硫酯酶活性，这对于避免植物对胁迫过度敏感非常重要，从而帮助植物转换生存策略，促进植物正常生长发育（图1）。
图1 通过Simple Jess Western验证了APT1蛋白在不同氧化还原状态下的聚合形式变化，用荧光探针检测了不同状态下苜蓿体内的H2O2和GSH水平变化
本研究也发现了APT1-NAC模块的分子育种应用价值。利用CRISPR-Cas9系统获得的apt1突变体表现出对苜蓿尖孢镰刀菌侵染的抗性，与野生型相比，apt1突变体的侵染率显著降低，这表明apt1突变体中活性氧水平的升高能帮助植物抵抗病原菌的侵染，增强植物的防御反应。
此外，APT1在植物中是保守的，与苜蓿中的APT1相比，大豆、拟南芥和番茄中APT1同源蛋白的同源性为58.67%、54.67%和50.67%，这种调节机制在植物中可能普遍存在。总之，本研究发现了一种氧还感受器APT1，解析了APT1感知氧化信号的精细调控机制，建立了APT1-NAC模块响应氧化胁迫的工作模式，揭示了APT1-NAC模块在应对生物胁迫和非生物胁迫中的广谱作用，展示了APT1-NAC模块在分子育种中的应用潜力（图2）。
图2 氧还感受器APT1的工作模型
中国农业大学生物学院王涛教授和董江丽教授为本文共同通讯作者，季托博士为本文第一作者。本研究获得科技创新2030-重大项目，内蒙古科技重点项目及国家自然科学基金的资助。
