南科大郭红卫团队合作在Cell发文揭示植物感知细胞外pH的机制
2022年08月22日 综合新闻 浏览量 :2830

2022年8月22日,南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫课题组与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰教授课题组合作在Cell(《细胞》)发表了题为 Extracellular pH sensing by plant cell-surface peptide-receptor complexes的研究论文,揭示了细胞表面的小肽-受体复合物作为细胞外pH感受器,调控植物生长和免疫的机制。

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细胞外pH对于动物、植物、微生物的生长发育以及免疫都起着重要的调控作用。例如人体血液pH维持在7.35-7.45。在一些特化的细胞中,位于细胞膜表面的络氨酸受体激酶(RTKs),G蛋白偶联受体 (GPCRs) 及氢离子敏感离子通道能够感应体液pH的细微变化,调节人体生长发育、免疫应答等过程。细菌也能通过多种酸性或碱性敏感的膜表面蛋白复合体感应环境pH变化,调节自身信号通路。

植物细胞外pH呈酸性(pH 5.7),许多生理和外界环境因素都会引起胞外pH的改变。上世纪七十年代,科学家提出了植物 “酸生长理论” ,猜想生长素能够激活细胞膜上的H+-ATP酶引起胞外pH酸化,松弛细胞壁,从而促进细胞生长。上世纪九十年代,科学家发现植物激发免疫反应会引起胞外pH碱化。该现象会在病原菌入侵的几分钟之内发生,并持续几十小时。过去几十年间,胞外pH碱化一直被作为植物免疫反应的标志之一。尤其是在病原菌相关联分子模式(PAMP)激发的免疫反应(PTI)研究中,植物免疫学家利用胞外碱化作为指标,成功鉴定出了许多重要PAMP免疫分子的活性形式,例如flg22,Pep1。不仅是生物胁迫,非生物胁迫,如干旱、盐碱也都会引起胞外pH的快速碱化。然而免疫胁迫引起的胞外碱化的生物学意义仍不清楚。此外,气候、肥料、微生物也都会引起土壤pH的改变。许多研究发现外界环境pH的变化能够显著地影响植物基因表达,表明植物具备感应外界pH 的能力。然而植物如何感知胞外pH变化仍是一个未解之谜。

郭红卫/柴继杰合作团队首先通过HPTS染色原位观察到植物根尖分生组织细胞外呈现相对酸性的pH环境。当对植物处理免疫小肽Pep1或病原菌相关分子模式(PAMP)时,根尖分生区胞外pH会迅速升高,表明免疫反应会引起根尖分生组织胞外碱化。同时 Pep1激发的免疫反应显著地抑制了根尖分生组织生长。进一步实验表明,Pep1引起的免疫反应抑制了促进根干细胞生长的小肽激素RGF1信号通路,降低了根尖生长发育关键转录因子PLT1/2的表达。有意思的是,Pep1引起根尖胞外碱化的区域与RGF1和PLT1/2表达区域高度吻合,且RGF1是分泌型小肽信号分子,与受体相互作用发生在胞外,因此研究人员猜测是否是免疫引起的胞外碱化影响了RGF1信号通路。研究人员利用H+-ATP酶抑制剂或是直接升高培养基pH来模拟免疫反应引起的胞外碱化,结果与猜想一致,胞外碱化本身便足以抑制RGF1信号通路,进而证明RGF1信号通路能够响应胞外pH变化。

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图1. 根干细胞生长因子RGF1受体复合物感应免疫小肽Pep1引起的胞外碱化

研究人员进一步探究,利用生化、遗传、结构等综合手段,揭示了RGF1信号通路感应胞外pH的分子机制。研究发现,分泌型小肽信号分子RGF1上有一个磺酸化修饰(sY),该修饰对于RGF1小肽与其细胞膜表面受体(RGI/RGFR)结合至关重要。当胞外的pH维持在酸性环境时,RGF1的磺酸化修饰(sY)处于质子化状态,与受体上的RxGG 基序有强烈的氢键相互作用,介导了小肽与受体的互作,从而诱导了受体和共受体复合物的形成,激活了下游信号通路。当胞外的pH发生碱化时,RGF1的磺酸化修饰(sY)被去质子化,与受体的相互作用大大减弱,从而不能诱导受体和共受体复合物的形成,阻断了下游信号通路的激活。

此外研究人员还发现,不仅RGF1信号通路能够感应胞外pH的变化,Pep1介导的免疫信号通路也能响应胞外pH的变化。有意思的是,与酸性依赖的RGF1生长信号通路截然相反,Pep1免疫信号通路呈现出碱性依赖。免疫引起的胞外碱化会进一步促进Pep1激发的免疫反应。进一步研究表明,Pep1受体PEPR上有许多酸性氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)参与了Pep1小肽识别。当胞外的pH维持在酸性环境时,天冬氨酸和谷氨酸处于质子化状态,破坏了Pep1与受体的相互作用,阻碍受体和共受体复合物的形成。当胞外的pH发生碱化时,天冬氨酸和谷氨酸处于去质子化状态,小肽与受体的相互作用大大增强,从而促进了受体和共受体复合物的形成,激活下游免疫信号通路。值得一提的是,研究人员还尝试将RGF1受体与Pep1受体的胞外结构域进行了替换,发现当把RGFR的胞外域替换为PEPR的胞外域后,根尖分生组织由RGF1介导的酸性依赖生长,逆转成了Pep1介导的碱性依赖生长,从而进一步证实了RGF1信号通路和Pep1信号通路通过受体复合物胞外区直接感应胞外pH变化。

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图2. 细胞膜表面小肽受体复合物感应胞外pH模式图

综上所述,该研究首次发现了植物胞外pH的感应器,揭示了植物细胞膜表面小肽受体复合物能够感应胞外pH的变化,调控植物生长发育与免疫。同时该研究还揭示了 “胞外碱化”这一植物免疫反应标志,能够作为一个信号分子调控植物生长及免疫的进程,减缓生长,增强免疫,从而优化能量,增强环境适应性。此外,酸性依赖的RGF1信号通路促进根尖分生组织生长的机制,进一步完善了 “酸生长理论”。该研究也为未来农业生产中利用 “酸碱调控” 来调节作物生长、抗病、抗逆,提供了理论基础和新的方向。

北京大学博士/南方科技大学访问学者,现德国马克斯普朗克研究所博士后刘莉,与清华大学博士,现德国马克斯普朗克研究所博士后宋文,为本文共同第一作者。南方科技大学郭红卫教授和清华大学-德国马普所-科隆大学柴继杰教授为共同通讯作者。南方科技大学姜凯博士、王益川博士、张丹博士、温兴博士,清华大学韩志富副研究员,博士生黄诗嘉,日本东京大学Yoshitaka Moriwaki博士,中国科学院深圳先进技术研究院门涌帆博士参与了该研究工作。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.012


供稿单位:生命科学学院

通讯员:刘莉 付文卿

主图:丘妍

编辑:韩文嘉

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