中科院遗传发育所张劲松/陈受宜课题组一直致力于水稻乙烯信号通路的研究，经过十几年的积累获得了一系列突破性成果。继2020年1月24日在Nature Communications 上发表组氨酸激酶MHZ1/OsHK1参与水稻乙烯信号转导的研究成果后 （ ） ，2020年3月17日，该课题组又在The Plant Cell上发表了题为The GDSL Lipase MHZ11 Modulates Ethylene Signaling in Rice的文章，揭示了脂酶MHZ11调节水稻根系乙烯反应的新机制 【1】 。
mhz11（maohuzi11，猫胡子11）是在前期研究中，通过EMS诱变筛选出的一个乙烯反应突变体【2】。用乙烯处理后，mhz11胚芽鞘的生长可被正常促进，而根的生长却不能被抑制，说明mhz11是一个根特异对乙烯不敏感的突变体。通过图位克隆和蛋白分析发现，MHZ11编码一个GDSL脂酶，属于SGNH亚家族水解酶，一般具有广泛的底物特异性【3】。蛋白亚细胞定位结果表明，MHZ11定位在ER（内质网）膜上。在WT中，MZH11的转录受乙烯诱导；但是在mhz7/Osein2和mhz6/Oseil1中，MHZ11不能被诱导，说明乙烯对MHZ11转录的诱导依赖于乙烯信号。
mhz11 是一个根特异对乙烯不敏感的突变体
在WT中过表达MHZ11会使黄化苗表现组成型乙烯反应，而乙烯受体抑制剂1-MCP处理会完全抑制这种表型，说明MHZ11-OE造成的组成型乙烯反应是由于根系中乙烯反应增强导致，并且MHZ11的功能依赖于受体和乙烯分子的正常结合。使乙烯反应增强有两种可能：乙烯合成增多或者乙烯信号增强。检测后发现，MHZ11-OE植株中乙烯的合成并没有增加，说明MHZ11-OE造成的组成型乙烯反应是由于乙烯信号增强导致。
MHZ11正调节乙烯反应，其功能依赖于乙烯和受体的结合
MHZ11属于SGNH亚家族水解酶，由于其活性位点的多样性，该家族成员的底物特异性一般比较广泛，确定底物比较困难 【3】 。为进一步寻找MHZ11可能的底物，研究人员开展了脂类组学的研究。他们发现，和WT相比，mhz11突变体中磷脂、DAG和游离植物甾醇含量增加，而TAG和甾醇酯的含量减少；MHZ11-OE植株中，磷脂、DAG和游离甾醇含量降低，而TAG和甾醇酯增加。根据以上结果，研究人员推测MHZ11可能参与磷脂的水解产生游离脂肪酸，DAG、游离脂肪酸和甾醇进一步被用来合成TAG和甾醇酯。
那么，MHZ11是否具有磷脂酶活性呢？体外实验发现，MHZ11具有磷脂酶A2 （PLA2） 活性，而当MHZ11的酶活位点突变 （S39A） 后，PLA2的活性也消失。和PLA2活性一致的是，野生型的MHZ11可以互补mhz11的乙烯反应，而突变的MHZ11 (S39A) 无法互补表型。以上结果说明，MHZ11是一个具有PLA2活性的水解酶，并且该酶活性是调节乙烯反应所必需的。
MHZ11的PLA2活性影响其在乙烯反应中的功能
为了进一步解析MHZ11调节乙烯反应的机制，研究人员开展了MHZ11的遗传位置研究。遗传分析结果表明，MHZ11作用于MHZ6/OsEIL1，MHZ7/OsEIN2和OsCTR2的上游，同时作用在乙烯受体上或其下游。在蛋白水平对OsCTR2检测后发现，空气中，WT根中的OsCTR2具有激酶活性并可发生自磷酸化，western blot显现出两条带 （一条磷酸化条带，一条非磷酸化条带） ，乙烯处理可抑制OsCTR2的磷酸化；在mhz11突变体中，乙烯处理不能抑制OsCTR2的磷酸化；而在MHZ11-OE植株中，OsCTR2去磷酸化发生得更快更彻底。上述结果说明，MHZ11促进乙烯对OsCTR2磷酸化的抑制作用。当使用1-MCP抑制乙烯和受体的结合后，乙烯处理就不再能抑制OsCTR2的磷酸化。另外，乙烯受体功能获得突变体 Osers2d 中，乙烯对OsCTR2磷酸化的抑制也不能发生。但是在Osein2和Oseil1中，乙烯可以正常抑制OsCTR2的磷酸化。这就说明，MHZ11对OsCTR2磷酸化的影响依赖于乙烯受体以及乙烯信号的起始，但不依赖于OsEIN2及其下游的乙烯信号。
MHZ11的遗传分析
研究进行至此，我们已经知道了MHZ11是水稻根系正常的乙烯反应所必需的，并且通过影响依赖于乙烯受体的OsCTR2磷酸化过程调节乙烯信号。另外，MHZ11还是一个具有PLA 2 活性的水解酶，可水解磷脂。并且，MHZ11也确实影响了脂类的代谢过程。但是，还有一个重要的问题仍没有回答：到底是什么脂类参与了MHZ11对乙烯反应的影响。
有研究表明，游离甾醇是调节膜流动性的主要成分，可影响膜相关组分的功能；另外，甾醇酰基化在保持细胞膜游离甾醇含量方面具有重要作用 【4-5】 。脂质组结果显示，在mhz11突变体中，游离甾醇的含量显著增加。另外，乙烯受体，OsCTR2和OsEIN2都定位在ER膜上。因此，研究人员推测mhz11突变体根中游离甾醇可能在ER膜上积累，从而抑制乙烯信号组分，引起乙烯不敏感。为了验证上述假设，研究人员使用甾醇合成抑制剂FEN处理mhz11，发现可以部分恢复mhz11的乙烯反应，暗示着减少甾醇的含量会促进根的乙烯反应。与表型一致的是，当用FEN处理后，乙烯处理可以显著抑制mhz11中OsCTR2的磷酸化。以上结果说明，甾醇减少会促进乙烯对OsCTR2磷酸化的抑制，增强根的乙烯反应。
抑制甾醇合成可部分恢复mhz11的乙烯反应
在拟南芥中，乙烯受体会和CTR1互作，调节乙烯反应 【6】 。那么MHZ11对乙烯受体和OsCTR2之间的互作有没有影响呢？通过BiFC和分离荧光酶素互补实验发现，乙烯受体OsERS2确实可以和OsCTR2互作，并且FEN处理会抑制它们之间的互作强度。
综合以上所有结果，就得出了一个MHZ11调节水稻根系乙烯反应的模型：在WT中，NHZ11可以水解ER膜上的磷脂生成游离脂肪酸，游离甾醇和脂肪酸反应生成甾醇酯，ER膜上的甾醇减少，膜的流动性增加，有利于乙烯处理后乙烯受体构象的改变和OsCTR2从受体上的解离，促进乙烯信号的传递；并且，下游乙烯信号的激活会促进MHZ11的转录，进一步增强上述过程。而在mhz11中，甾醇在ER膜上积累，细胞膜的流动性降低，不利于OsCTR2从乙烯受体上解离，阻碍了乙烯信号的传递。
MHZ11调节乙烯信号转导的工作模型
值得一提的是，中科院遗传发育所张劲松/陈受宜组一直致力于水稻乙烯信号转导的研究。在前期工作中，筛选出一系列乙烯反应突变体，由于这些突变体不定根发达，形似猫胡子，因此被命名为“猫胡子”。时至今日，大部分“猫胡子”突变体都已经相继发表，通过对这些突变体的研究，我们已经对水稻中的乙烯信号转导通路有了一个大概的了解，发现了多个有别于拟南芥的乙烯信号组分，并详细揭示了它们的作用机制。相信随着这些“猫胡子”的最终全部发表，应该能呈现出一个更加清晰的水稻乙烯信号转导通路。
“猫胡子”突变体的发表情况
集齐所有“猫胡子”到底能不能召唤“神龙”？让我们拭目以待吧！
参考文献：
【1】Zhao H,Ma B,Duan KX,Li XK,Lu X, et al.(2020)The GDSL Lipase MHZ11 Modulates Ethylene Signaling in Rice Roots. The Plant Cell
【2】Ma, B., He, S.J., Duan, K.X., Yin, C.C., Chen, H., Yang, C., Xiong, Q., Song, Q.X., Lu, X., Chen, H.W., et al. (2013). Identification of rice ethylene-response mutants and characterization of MHZ7/OsEIN2 in distinct ethylene response and yield trait regulation. Mol. Plant 6:1830-1848.
【3】Molgaard, A., Kauppinen, S., and Larsen, S. (2000). Rhamnogalacturonan acetylesterase elucidates the structure and function of a new family of hydrolases. Structure 8: 373-383.
【4】Lindsey, K., Pullen, M.L., and Topping, J.F. (2003). Importance of plant sterols in pattern formation and hormone signalling. TrendsPlant Sci. 8: 521-525.
【5】Schaller, H. (2004). New aspects of sterol biosynthesis in growth and development of higher plants. Plant Physiol. Biochem. 42: 465-476.
【6】Yang C, Lu X, Ma B, Chen SY, Zhang JS (2015) Ethylene signaling in rice and Arabidopsis: conserved and diverged aspects. Mol. Plant, 8(4):495-505.
http://www.plantcell.org/content/early/2020/03/17/tpc.19.00840
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