气态分子乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的简单化合物，是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心。有意思的是，植物细胞也具有产生乙烯的能力，并能利用乙烯分子调控自身的生长发育和抵抗不利的生长环境。刚摘下来没有成熟的香蕉外皮呈青绿色、口感涩、质地硬，放置一段时间后，开始变软变甜，这个成熟的过程正是由于乙烯这个气体植物激素所导致的。

       其实早在几千年前，在尚未了解其化学本质时，人们已经开始利用多种技术产生乙烯，用来对植物进行催熟：古埃及人在无花果结果之后，会划出一些口子，这样让果实成熟更快；而我们的先人把青梨放在焚香的屋子，这样梨子熟得更快了。这些经验和做法是有效的，原因都是让植物处于充满乙烯的环境中。古人的经验是无意识地应用了乙烯与植物生长的关系，而在现代农业中则是有的放矢。那些经过保存运输的“生”水果，在分销之前需要进行“催熟”操作。同时，乙烯在应对病虫害等生物胁迫和低温胁迫、盐胁迫等非生物胁迫方面也扮演着至关重要的角色。所以，对植物激素乙烯信号通路的深入研究具有重要的理论意义和应用价值。

       南方科技大学生物系郭红卫教授课题组长期致力于对植物激素乙烯信号转导分子及生化机制以及植物器官衰老的调控机理研究，聚焦解析乙烯传导核心组分原件工作机制，以及植物乙烯合成的人工控制和器官衰老的调控。

神秘的分子“多米诺骨牌”揭示乙烯作用机制

       植物是如何感受到乙烯的呢？因为植物细胞存在可以和乙烯直接结合的蛋白质受体。涉及这个过程的两个蛋白ETR1和CTR1在1993年就被鉴定到了。在没有乙烯的时候，他们处于激活状态，抑制着下游的负责果实成熟的基因的表达，当乙烯一旦产生或施用，这种抑制作用即被解除，通过内质网上一个称为EIN2的跨膜蛋白，将信号传至下游，最终打开细胞核由转录因子EIN3控制的级联转录事件，导致多种促进成熟的酶的表达，比如果胶酶，它可以降解细胞壁，使得果实软化，比如淀粉酶，可以促使糖的转化，果子变得更甜。

       这一系列分子就像多米诺骨牌（ETR1-CTR1-EIN2-EIN3-下游基因），将生物信号自上而下、逐级传导，而这个信息传递过程就是这三十多年来科学家们在模式植物拟南芥中，建立起来的一条自细胞内质网膜上的受体至细胞核内的转录因子的线性乙烯信号转导通路。在诸多骨牌中，最神秘的那块当属EIN2， 它是定位于内质网上的跨膜蛋白，乙烯信号通路的一个最核心元件，因为一旦它失去功能，植物就对乙烯完全不产生作用。自1999年EIN2基因被克隆以来，人们一直想知道定位于内质网膜的EIN2蛋白是如何调控乙烯信号，以及EIN2本身如何参与乙烯信号的传递。(Hao D et al.,Hormone Metabolism and Signaling in Plants,2017)

       2012年，包括郭红卫课题组在内的三个研究小组同时报道了EIN2激活下游乙烯信号的“剪切、穿梭”模型，即当细胞内乙烯浓度较高时，EIN2被激活且其C端（CEND）被蛋白酶剪切而脱离内质网进入细胞核并以某种方式激活EIN3/EIL1和乙烯反应 (Wen X et al.,Cell Research,2012)。郭红卫课题组用荧光蛋白追踪EIN2蛋白在细胞内的分布时，还发现乙烯不但能诱导EIN2的C端进入细胞核，而且还促进其在细胞质中形成明亮的、随机分布的点状结构，这暗示EIN2在细胞质中可能具有重要的功能。2015年郭红卫课题组发现EIN2在细胞质中与负责降解EIN3的蛋白质中mRNA（信使RNA）的3’UTR相互作用并抑制其翻译过程，进而促进EIN3积累，最终激活乙烯反应 (Li W et al.,Cell,2015)。该成果阐明了EIN2蛋白在细胞质中的新功能、发现了一类新的响应乙烯信号的RNA元件PolyU序列。同时，他们的研究成果在植物信号转导领域第一次表明mRNA的3’UTR像一个“感受器”感知上游信号并向下传递，对植物学的研究具有重要的启发意义。此外，该研究成果还具有重要的应用前景，可以利用EIN2的C端对负责降解EIN3的蛋白质的1/2 mRNA的3’UTR调控作用人为控制乙烯信号“打开”或者“关闭”乙烯信号来抵御各种胁迫或者延迟果实的成熟和农作物的衰老，为农业生产实践服务。

知其道用其妙

       植物气体激素乙烯参与调节果实成熟和器官衰老，对采后果蔬和花卉贮藏期间的生理活动及品质具有重要影响。大量产生的乙烯会缩短果蔬和花卉的保质期，引起其过早过快衰败，造成食品安全问题和巨大的采后损失（仅我国每年的果蔬采后损失达数千亿元）。因此，开发特效而安全的乙烯反应抑制剂将具有巨大的经济效益和社会效益。基于此，郭红卫课题组利用植物化学遗传学手段，以模式植物拟南芥乙烯过量合成突变体eto1-2和乙烯信号活化突变体ctr1-1为筛选材料，从2000种化学小分子文库中筛选出3种可抑制乙烯合成或反应的小分子化合物：kynurenine（KYN），ponalrestat（PRT）和pyrazinamide（PZA）。

       他们早期的研究发现KYN能够抑制乙烯所诱导的下游生长素合成途径中的一类关键酶（He W et al.,Plant Cell,2011），最近发现PRT也作用于乙烯下游反应，抑制了生长素合成途径中的另一类关键酶（相关工作正在整理发表中）。不同于KYN和PRT，第三个小分子PZA可以特异性抑制乙烯合成过程中一类酶——ACC氧化酶（ACC oxidase，ACO）——从而抑制乙烯合成。体外生化分析发现，PZA无法直接抑制ACO催化活性，需要在拟南芥体内发生转化，成为pyrazinoic acid（POA），进而抑制ACO的催化活性，是迄今为止发现的最为高效的抑制乙烯合成的小分子化合物。

       同时，郭红卫课题组与北京大学肖俊宇教授课题组合作，进一步解析了拟南芥中ACO家族成员ACO2与POA复合物的高分辨率晶体结构（2.1Å），从原子层面揭示了POA的抑制机理。晶体结构表明，POA是通过与活性中心的一个锌离子或铁离子形成配位键而与ACO2结合。此外，POA与其周围氨基酸之间形成的氢键、疏水相互作用以及范德华力，也巩固了其与蛋白的结合。通过对ACO2蛋白关键氨基酸进行突变，证实了POA或其类似物2-PA可以模拟ACO的内源底物ACC，从而竞争性抑制了ACO的活性。这些结果不仅在原子层面上阐明了POA的抑制机理，还为下一步优化小分子结构，提高其抑制活性提供了理论基础（Sun X et al.,Nature Communication,2017）。

解析植物衰老的秘密

       植物成熟或衰老的进程可以大幅度地影响农业生产的效益，比如粮食的产量及其品质，据在主要作物(如玉米, 大豆、棉花、水稻、小麦)上的估算，后期功能叶片晚衰一天，产量可增加2-10%。气体激素乙烯长期以来被认为是一种植物衰老激素，能够协同植物体内、体外信号，促进叶片的衰老，但其具体的分子作用机制不清楚。

       郭红卫课题组开展了植物器官衰老研究，建立了学界第一个植物叶片衰老数据库LSD(Leaf Senescence Database)(Liu X et al., Nucleic Acids Research, 2011)，发现了乙烯信号通路的重要转录因子EIN3 在叶片衰老过程中的作用[7]。在衰老过程中，EIN3表达量和转录活性逐渐升高，其过表达植株和功能缺失突变体分别表现为叶片早衰和晚衰的表现。已有报道表明一个microRNA(miR164)在延缓叶片衰老中发挥重要的作用。他们发现EIN3直接调控了miR164的转录，从而抑制其在叶片衰老过程中的水平，进而促进了miR164 的靶基因NAC2的表达水平，最终加速了叶片衰老(Zhong H et al.,Plant Cell,2013)。同时，最近的该课题组工作发现在叶片衰老进程中，还存在另外一个重要的转录因子WRKY75、能够和水杨酸，过氧化氢三者形成两两互相促进的调控环(Guo P et al.,Plant Cell,2017)。乙烯和多个激素互作，控制这个衰老调控环，推动了叶片衰老不可逆转地向前。

上图为乙烯信号转导通路模型图：左图为实验室使用的模式植物拟南芥乙烯反应的描述，右图为郭红卫课题组所发现的EIN2蛋白 “剪切、穿梭”模型(a)和翻译抑制模型(b)。(Wen X et al.,Cell Research,2012；Li W et al.,Cell,2015)

供稿：郭红卫教授课题组
编辑：刘春辰
主图设计：刘春辰、丘妍