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编者按：脯氨酸（proline）是植物蛋白质的组分之一，同时脯氨酸也以游离的状态（free proline）广泛存在于植物中。在干旱和低温等胁迫条件下，脯氨酸在植物体内内大量积累。现已证明，在逆境条件下大量积累的脯氨酸是一种重要的渗透调节物质，除此之外，脯氨酸在生物大分子结构、膜和亚细胞结构的稳定以及清除活性氧等方面也起着重要作用（Kaur and Asthir, 2015）。目前关于脯氨酸在植物体内的代谢途径已有大量研究（Elthon and Stewart, 1981; Funck et al., 2010），然而对于逆境条件下调控植物体内脯氨酸动态平衡的分子机制依然知之甚少。2018年 6月26日，合肥工业大学食品科学与工程学院曹树青课题组与刘永胜课题组合作在Cell子刊 Cell Reports上在线发表了题为“DFR1-mediated Inhibition of Proline Degradation Pathway Regulates Drought and Freezing Tolerance in Arabidopsis”的研究论文。该研究首次发现了一个全新的未知功能基因 DFR1（Drought and Freezing Responsive 1），并揭示了DRF1基因调控植物脯氨酸代谢平衡与植物抗逆应答新机制 (Ren et al., 2018)。
干旱和低温等非生物胁迫常对植物的生长和发育造成不利的影响，最终导致植物的生产力降低。经过长期的进化，植物本身形成了多种机制以降低环境胁迫带来的伤害。其中，在逆境条件下脯氨酸迅速积累是一种重要的响应机制。脯氨酸是植物细胞重要的渗透调节物质，参与维持膜结构和蛋白质的稳定性，但过多积累导致细胞生理机能受损。然而，植物体内的脯氨酸动态平衡是如何维持的？其相关分子机制是什么？
在合肥工业大学的这项最新研究中，研究人员首次发现并成功克隆了一个全新的未知功能基因DFR1（Drought and Freezing Responsive 1），该基因编码一个线粒体蛋白，通过调控脯氨酸的动态平衡实现对各种环境胁迫的应答反应。研究发现，DFR1的表达受干旱和低温的诱导。过量表达DFR1提高了拟南芥中脯氨酸的含量，同时提高了拟南芥对重度干旱和冷害的抗性。而在dfr1突变体中，脯氨酸含量降低，对干旱和冷害的抗性也随之降低。
进一步的研究发现，在干旱和冷害胁迫条件下，DFR1蛋白与脯氨酸降解途径上的两个关键酶PDH和P5CDH均发生相互作用并显著抑制这些酶的活性，从而阻断整个脯氨酸降解途径，使得逆境胁迫下脯氨酸的含量增加，进而增加植物对环境胁迫的耐受性。有趣的是，在正常条件下DFR1基因的表达量很低以维持脯氨酸的稳态平衡；而在逆境胁迫条件下，DFR1基因的表达量急剧增加从而导致脯氨酸含量的升高和环境胁迫的耐受性的提高；在胁迫解除后，DFR1的表达量又急剧下降以释放PDH和P5CDH活性从而加速脯氨酸的降解和逆境胁迫损伤的恢复。
DFR1基因不仅调控植物在重度胁迫下的存活率，也调控植物在中度胁迫下的生物量，使得其在未来的农作物抗逆分子育种中具有极其重要的应用前景；此外，该基因在植物中具有高度保守性，意味着该机制可能是植物长期适应胁迫环境进化产生的抗逆应答机制。
该研究由合肥工业大学食品科学与工程学院曹树青课题组和刘永胜课题组合作完成，博士生任永兵，讲师苗敏博士和硕士生孟云为论文共同第一作者，曹树青教授和刘永胜教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目和转基因重大专项课题资助。
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参考文献：
Elthon, T.E., and Stewart, C.R. (1981). Submitochondrial location and electron transport characteristics of enzymes involved in proline oxidation. Plant Physiol. 67, 780–784
Funck, D., Eckard, S., and Muller, G. (2010). Non-redundant functions of two proline dehydrogenase isoforms in Arabidopsis. BMC Plant Biol. 10, 70
Kaur, G., and Asthir, B. (2015). Proline: a key player in plant abiotic stress tolerance. Biol. Plantrum 59, 609-619
Ren et al. (2018). DFR1-mediated Inhibition of Proline Degradation Pathway Regulates Drought and Freezing Tolerance in Arabidopsis. Cell Rep. 23, 1-15
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