Nature Plants | 北京大学王伟/首都师范大学周冕团队报道首个介导植物种间竞争的酚酸类化感物质的受体蛋白

责编 | 王一

化感作用是植物通过根系分泌的多种化合物影响邻近植物生长发育的普遍现象1。早在2300多年前植物学作为一门学科建立之初，亚里士多德的学生、“植物学之父”提奥弗拉斯特就观察到化感作用2。抑制性的化感作用在作物与杂草、本土和入侵植物甚至是作物和其残留或腐殖的秸秆之间都广泛存在3-5。我国每年产生超过9亿吨秸秆。秸秆腐殖过程中产生的大量的酚酸类化感物质对后一轮作物生长具有显著的抑制作用5。由于酚酸类化感物质的结构多样性较高，多年来其受体也一直未被发现，植物中是否存在能够直接结合并识别多种酚酸物质的受体蛋白一直是化感领域中极具争议性的重大科学问题。

2023年8月28日，北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、生命科学联合中心王伟团队与首都师范大学生命科学学院周冕团队历时8年合作，突破性地发现了首个可以结合并感受水杨酸 (Salicylic Acid，SA)、原儿茶酸、咖啡酸、对羟基苯甲酸、丁香酸、龙胆酸、香豆酸和阿魏酸等多种酚酸类化感物质的受体蛋白RBP47B。相关成果以两倍长文的篇幅在Nature Plants发表了题为“Phenolic acid-induced phase separation and translation inhibition mediate plant interspecific competition”研究论文。同期，Nature Plants刊发了对该研究的评述文章，题为Silencing translation with phenolic acids。

该研究首次发现包括SA在内的多种酚酸可以促进poly(A)+ RNA和蛋白在植物根部聚集形成无膜包裹的细胞器—应激颗粒 (Stress Granules, SG)。SG是一种重要的转录后翻译调控方式，是由蛋白液-液相分离驱动，未翻译的mRNA和蛋白质组成的生物大分子凝聚物6。接着作者证明SG标志蛋白RBP47B是感知酚酸和驱动SG形成的重要元件。酚酸通过与RBP47B结合，降低RBP47B液-液相分离阈值，从而极大促进RBP47B的体外相分离，并最终促进SG的形成。除了RBP47B，SA也可以直接结合同一家族中的RBP47A、C、C’等蛋白。通过对野生型和rbp47abcc’四重突变体中SG的蛋白组的系统性分析，作者发现RBP47家族蛋白可以招募并将特定的核糖体蛋白隔离在SG中，而这些核糖体蛋白的驻留显著减低了SG的分子流动性，这些发现奠定了SG抑制细胞翻译水平的基础。

随后，作者结合基于正交化学的非典型氨基酸标记技术以及ELISA检测，开发出了BONCATE技术，用于对植物细胞整体翻译效率进行实时定量的分析。相比于现有的SUnSET技术和多聚核糖体图谱方法，BONCATE技术具有细胞毒性小、通量高、特异性好、动态范围广等优势。利用BONCATE技术，作者发现SA可以显著抑制野生型拟南芥的整体翻译效率，而rbp47abcc’突变体则对SA不敏感。因此RBP47家族蛋白介导了SA引起的翻译抑制作用。通过对rbp47abcc’突变体的表型研究，作者发现RBP47家族蛋白也介导了酚酸引起的萌发率和生长的抑制作用，而这两种生理表型与翻译具有密切的联系。最后，作者建立了水稻和拟南芥共生的生态模型，即在水稻周围种上拟南芥野生型和rbp47abcc’突变体，并通过隔绝水稻和拟南芥根系的物理接触，将二者的互作限制在化学互作层面。通过研究发现，分泌酚酸较多的化感型水稻显著抑制野生型拟南芥的出土成苗，相反rbp47abcc’突变体则对酚酸的抑制作用不敏感。基于以上结果，该研究建立了酚酸结合并促进RBP47B相分离，促进SG的形成，通过抑制翻译最终抑制植物生长的化感作用分子模型。

模式图：酚酸通过RBP47B蛋白感知信号从而抑制植物生长

综上，该研究建立了酚酸、SG、相分离、翻译抑制和物种间生长抑制性互作的关联，解决了领域内尚不清楚的几个关键问题：1)鉴定到首个酚酸类化感物质的受体；2)揭示了酚酸是如何通过促进蛋白的液-液相分离，从而促进SG的形成；3)阐明了SG是在植物中如何抑制翻译，从而抑制植物的生长的分子机理。该研究一方面揭示了酚酸通过调控翻译抑制植物生长的新机制，另一方面为今后在植物蛋白相分离和SG领域的相关研究提供了理论基础和技术依据。目前，除了具有化感作用的作物可以分泌酚酸，农作物秸秆在发酵后的代谢物质中也含有大量酚酸，因此该研究将也为农业生产中农作物的秸秆还田应用提供指导。

北京大学海外交流引进博士后谢周丽、北京大学博士后赵帅和李莹为共同第一作者。北京大学、北大-清华生命科学联合中心王伟研究员和首都师范大学周冕教授为论文共同通讯作者。该研究得到蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、国家自然科学基金、北京市科技新星计划、北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、首都师范大学、北京大学海外交流引进博士后项目的资助。

据悉，王伟研究员课题组现拟招收博士后1-2人。课题组主要开展以下三方面研究：1. 应激颗粒的形成机制、生物学功能和进化学意义；2. 作物生物钟与环境互作；3. 生物纳米传感器开发。更多课题组信息详见：

https://bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/17/801.html

参考文献

1 Rice, E. L. Biological control of weeds and plant diseases: advances in applied allelopathy. (University of Oklahoma Press, 1995).

2 Culpeper, N. Culpeper's complete herbal & english physician. (Applewood Books, 2006).

3 Bais, H. P., Vepachedu, R., Gilroy, S., Callaway, R. M. & Vivanco, J. M. Allelopathy and exotic plant invasion: from molecules and genes to species interactions. Science 301, 1377-1380, doi:10.1126/science.1083245 (2003).

4 Van Dam, N. M. & Bouwmeester, H. J. Metabolomics in the rhizosphere: tapping into belowground chemical communication. Trends in Plant Science 21, 256-265, doi:10.1016/j.tplants.2016.01.008 (2016).

5 Li, J. Y. et al. Phenolic acids and terpenoids in the soils of different weed-suppressive circles of allelopathic rice. Arch Agron Soil Sci 66, 266-278, doi:10.1080/03650340.2019.1610560 (2020).

6 Protter, D. S. & Parker, R. Principles and Properties of Stress Granules. Trends in cell biology 26, 668-679, doi:10.1016/j.tcb.2016.05.004 (2016).

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01499-6