Cell 突破！郭红卫/柴继杰合作团队揭示植物感知胞外pH的机制

责编 | 奕樊

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，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血液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。

2022年8月22日，南方科技大学郭红卫教授团队与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰教授团队合作在Cell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-受体复合物作为胞外pH感受器，调控植物生长和免疫的机制。

研究人员首先通过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。

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。

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