PNAS | 浙江大学李保海课题组揭示线粒体感应植物铁毒害诱导根尖干细胞死亡的分子机制

责编 | 王一

铁作为一种必需的微量元素，在氧气运输、呼吸链电子传递、氧化还原反应等多个生物学过程中发挥重要作用。人体缺铁易导致贫血、免疫功能下降、神经系统功能障碍；植物在生长发育过程中，铁缺乏阻碍叶绿素合成、导致光合作用减弱、抑制根系生长。

由于生物体内铁的适宜浓度区间较窄，缺铁和铁过载均易发生。铁过载可通过Fenton反应生成羟基自由基，引发细胞膜、蛋白质和DNA的氧化损伤，导致细胞死亡。铁过载可导致铁在肝脏、心肌等器官中沉积，引发肝硬化、心肌病；此外在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病患者的脑组织内也常伴随着异常的铁积累。目前，哺乳动物细胞中铁过载诱导细胞死亡的多条分子信号途径得到揭示，包括脂质过氧化诱导的铁死亡途径、线粒体损伤和氧化应激激活的细胞凋亡途径等。

植物铁过载可导致矿质养分元素吸收失衡、根系生长受阻、叶片坏死、光合作用效率下降。在酸性土壤和强还原的渍水土壤中，铁有效性高，易发生植物铁过载，导致植物铁毒问题。全球约有18%水稻田存在铁毒风险，可造成不同品种水稻减产10%到100%。此外，植物细胞铁毒也是限制生物强化植物铁含量的重要因素。鉴定植物耐铁毒基因是该领域研究的一个重要目标。自1997年发表首篇关于单子叶植物水稻铁耐性基因定位的文章以来，过去20多年中开展了大量耐铁毒基因定位研究（超过20多篇研究工作）。然而，尽管已发现了多个铁耐性关联的QTL（数量遗传位点），但尚未成功克隆出调控铁耐性的基因，这严重限制了对植物铁耐性分子机制的深入研究。

浙江大学环境与资源学院李保海研究员课题组前期鉴定了首个调控植物种内铁耐性自然变异的主效基因——亚硝基化谷胱甘肽还原酶GSNOR。GSNOR调控高铁介导的根尖分生区细胞死亡、维持根系生长。GSNOR调控铁耐性的功能在豆科植物百脉根和单子叶植物水稻中是保守的 (点击查看：)。虽然GSNOR调控根系耐铁毒的下游分子途径仍处于未知状态，但该成果为解析植物铁耐分子机制找到了突破口。

近日，李保海课题组以直接投稿 (Direct Submission) 的方式在国际著名综合性学术期刊PNAS在线发表了题为ANAC044 orchestrates mitochondrial stress signaling to trigger iron-induced stem cell death in root meristems的研究论文，发现了线粒体是感应GSNOR调控植物细胞铁毒的关键细胞器，并揭示了转录因子ANAC044介导的线粒体逆向信号是诱导根尖干细胞死亡的下游关键途径。

该研究发现，在缺乏GSNOR的突变体中，根尖分生区组织中的维管干细胞在高铁处理48小时后出现DNA损伤依赖的细胞死亡。通过时间序列动态转录组分析，筛选出970个GSNOR和高铁胁迫互作的差异表达基因。根据不同基因对高铁的响应表达模式进行聚类分析后，相比于野生型，发现一类在gsnor突变体中随高铁处理时间的延长表达逐步上调的基因其参与的生物学过程与线粒体功能完整性与损伤应答显著相关。实验结果表明，添加线粒体呼吸抑制剂可导致根部分生组织中的干细胞死亡；而将负责释放线粒体内分子信号物质到胞质中的电压依赖性阴离子通道 (Voltage-Dependent Anion Channel) 进行药理学抑制，或者通过遗传学手段阻断由 ANAC017 和 ANAC013 介导的线粒体逆行信号传导，都能有效缓解高铁处理导致的gsnor突变体根尖干细胞死亡。

图1. 高铁处理诱导gsnor (hot5-2) 突变体根尖干细胞死亡和线粒体功能完整性与损伤应答基因表达

然而量化结果表明， 在gsnor突变体中引入anac017anac013突变只能部分缓解根尖干细胞死亡，暗示存在着未知的线粒体逆行信号下游转录因子参与上述调控过程。研究发现，ANAC044与包括ANAC013在内的多个线粒体功能完整性与损伤应答基因在高铁处理下的表达模式呈显著正相关。遗传学证据表明，敲除ANAC044基本完全消除了gsnor突变体根部的干细胞死亡，但无法缓解根尖细胞的DNA损伤，表明ANAC044 是位于DNA损伤下游调控该线粒体逆行信号传导的新转录因子。

图2. GSNOR调控铁毒诱导根系干细胞死亡的分子模式图

综上所述，该研究工作揭示了GSNOR通过调控一条由线粒体-VDAC-DNA损伤-ANAC044构成的根部干细胞死亡分子信号通路，来应对植物根系铁毒问题。该工作填补了关于植物铁诱导的干细胞死亡分子基础的研究空白。

浙江大学环境与资源学院博士生颜娟梅、助理研究员冯志航为该论文共同第一作者，李保海研究员为该论文通讯作者。硕士生肖伊辉、浙江大学生命科学学院周明研究员、农业与生物技术学院赵晓波研究员、环境与资源学院林咸永教授、中国科学院南京土壤所/佛山大学施卫明研究员和美国索尔克生物研究所Wolfgang Busch教授为共同作者。该工作得到国家级青年人才项目，浙江大学百人计划，浙江省自然科学基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金资助。

浙江大学环境与资源学院李保海课题组，近几年围绕植物铁、锌营养的有效性和耐性问题，取得了一系列重要研究成果：1)开发出一种木质素来源的高效且环境友好型新型螯合剂HSAL，能显著提高植物铁、锌营养元素含量，证明了HSAL促进铁高效吸收利用的机制是通过螯合生长介质中的三价铁离子 (Fe3+)，促进Fe3+移动扩散到根表进行还原吸收，为解决作物铁、锌等元素缺乏问题提供了新途径(Nat Commun., 2023, 14:4866)；2)发现了调控植物锌耐性自然变异的新基因TRICHOME BIREFRINGENCE (TBR)，揭示了其种内自然变异的遗传与生理机制以及种间的保守性，为改良作物锌营养的种质资源提供了重要的候选基因 (Nat Commun., 2024, 15:5823)；3)鉴定到调控植物铁耐性自然变异的首个主效基因GSNOR，并揭示了其在种内和种间铁耐性遗传调控机制 (Nat Commun., 2019, 10:3896)；进而，针对GSNOR和铁介导的氧化胁迫调控，受邀在Trends in Plant Science撰写了题为“The emerging role of GSNOR in oxidative stress regulation”的综述，阐述了氧化胁迫的概念发展、主要调节因子的研究进展和GSNOR在多种生物和非生物胁迫诱导的氧化胁迫中的关键作用 (Trends in Plant Science，2021, 26:156)。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2411579122