Plant Physiol | 柏连阳院士团队王立峰课题组揭示醌类化感物质DMBQ调控植物根部生长的分子机制

自然界中，植物通过释放特定代谢产物影响邻近植物的生长发育，这一过程被称为化感作用。该现象在作物与杂草的竞争中具有重要生态意义，并为杂草的绿色防控提供新思路。然而，现有研究主要集中于化感物质的鉴定与分离，对其介导的分子调控机制仍缺乏系统解析。因此，揭示化感信号传递途径，明确作物—杂草互作的分子机制，对开发基于化感物质的绿色控草策略具有重要理论意义与应用价值。

近日，湖南省农业科学院杂交水稻全国重点实验室、岳麓山实验室柏连阳院士团队王立峰课题组在植物科学权威期刊Plant Physiology上在线发表了题为The CANNOT RESPOND TO DMBQ 1-GLUTAREDOXIN C1 module regulates Arabidopsis root growth via quinone-induced oxidation的研究论文，首次阐明了醌类化感物质2,6-二甲氧基-1,4-苯醌（DMBQ）通过CARD1-GRXC1氧化还原信号模块调控植物根系生长的分子机制。该研究不仅为理解植物感知化感信号提供了崭新视角，也为开发新型绿色控草策略提供了理论支撑。

植物之间的相互作用往往通过分泌化感物质来实现。醌类化合物作为一类广泛存在于自然界的化感物质，对植物生长具有显著调控作用，然而其具体作用机制尚未明确。本研究发现，典型醌类物质DMBQ处理拟南芥Col-0会导致根部活性氧（ROS）迸发并抑制生长，而在DMBQ的感受器—CARD1功能缺失突变体card1中，这种影响会减弱。为进一步探究DMBQ对胞内氧化还原稳态的影响，作者通过氧化还原蛋白组学成功绘制了DMBQ诱导的半胱氨酸修饰图谱，鉴定到237个受CARD1调控的氧化蛋白，表明DMBQ通过CARD1影响蛋白半胱氨酸修饰，进而改变植物内部氧化还原稳态。联合蛋白组学和质谱数据，筛选到CARD1的下游蛋白谷氧还蛋白C1—GRXC1。进一步开展LUC、BiFC和Co-IP等生化实验，发现CARD1与GRXC1的二聚体形式在细胞膜上发生相互作用。体内、外磷酸化实验表明，CARD1能够磷酸化GRXC1蛋白中55位苏氨酸位点（Thr55），并且DMBQ处理会增强该磷酸化修饰丰度。此外，GRXC1磷酸化修饰会使其从二聚体转变为单体形式，导致GRXC1与CARD1的互作减弱。遗传学数据表明，DMBQ处理后的ROS迸发和根部生长受抑制的现象在GRXC1功能突变体grxc1中减弱，同时在CARD1和GRXC1的回补材料中该现象被恢复，表明CARD1-GRXC1共同响应DMBQ信号，调控植物氧化还原稳态，进而抑制根部生长，对理解作物与杂草之间基于化感效应的互作关系具有重要启示。

“DMBQ-CARD1-GRXC1”信号通路模式图”

湖南杂交水稻研究中心/杂交水稻全国重点实验室为本论文第一单位，湖南杂交水稻研究中心张亮助理研究员，湖南大学汪龙副教授，湖南大学已毕业硕士研究生强晓楠为该论文共同第一作者。湖南省农业科学院柏连阳院士、王立峰研究员，湖南大学于峰教授为该论文共同通讯作者。湖南杂交水稻研究中心赵正洪研究员、陈克助理研究员、刘智炫助理研究员、湖南大学博士研究生薛静怡和青莲百奥孙龙钦参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖南省自然科学基金等经费的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf419