Plant Cell | 中山大学肖仕团队揭示转录因子STOP1调控植物低氧胁迫应答的新机制

低氧胁迫是影响农业生产非常重要的非生物胁迫之一。近年来，全球气候变化导致极端天气频发，暴雨和洪涝/淹水灾害日益严重。在淹水胁迫下，水中的氧气（O2）和二氧化碳（CO2）扩散变慢，光照减弱，植物光合作用和呼吸作用受阻，导致低氧胁迫（Hypoxia）。植物细胞由有氧呼吸转变为乙醇和乳酸代谢的无氧发酵途径以维持能量供应。研究表明，低氧胁迫下，植物乙醇发酵途径的代谢重编程主要由乙烯反应转录因子ERF-VII家族蛋白调控。乳酸发酵作为植物厌氧途径中能量供应的另一重要来源，其伴随着乳酸的产生，将破坏胞内pH稳态，导致细胞质酸化。然而，植物如何平衡乳酸发酵与胞质酸化，以维持低氧下植物细胞内环境稳态的具体分子机制还不清楚。

近日，中山大学肖仕教授团队在植物学权威期刊The Plant Cell杂志上发表题为MPK3- and MPK6-mediated phosphorylation of STOP1 triggers its nuclear stabilization to modulate hypoxia responses in Arabidopsis的研究论文，揭示了蛋白激酶MPK3和MPK6磷酸化STOP1，拮抗E3泛素连接酶PUB24泛素化STOP1，促进STOP1在细胞核中富集，进而调控pH代谢通路关键基因表达和相关代谢物的生物合成，以维持低氧下植物细胞内环境稳态的分子机制。

该研究发现， STOP1功能缺失突变体和过表达转基因植物对低氧胁迫分别呈现敏感和耐受的表型。生化证据显示，在常氧和复氧条件下，E3泛素连接酶PUB24与STOP1互作，并介导STOP1的Lys-194和Lys-278氨基酸残基的泛素化，负调控STOP1蛋白稳定性。遗传分析证实，PUB24功能缺失突变体和过表达植物对低氧胁迫分别呈现耐受和敏感表型，而stop1 pub24双突变体表现出超敏感表型，表明PUB24位于STOP1上游并负调控植物低氧胁迫应答。

生化结果显示，蛋白激酶MPK3和MPK6与STOP1互作，且低氧能增强它们之间的互作。其中，低氧诱导的磷脂酸（PA）充当“分子粘合剂”促进MPK3和MPK6与STOP1的互作。深入研究发现，MPK3和MPK6介导的STOP1磷酸化能抑制PUB24介导的STOP1泛素化降解，进而促进低氧下STOP1在细胞核的积累（图1）。此外，磷酸化激活型STOP13D相较于STOP1进一步促进下游pH代谢通路中的谷氨酸脱氢酶编码基因GDH1和GDH2的转录水平，并且提高L-谷氨酸（L-Glu）和γ-氨基丁酸（GABA）等pH相关代谢物的生物合成，进而正调控植物低氧胁迫应答。

图1. 低氧诱导的STOP1细胞核内积累依赖于MPK3和MPK6的磷酸化

综上，该研究揭示了在低氧胁迫下MPK3/6依赖的磷酸化作用，通过拮抗PUB24介导的STOP1泛素化降解，促进STOP1在细胞核内积累，进而激活下游 GDH1 和GDH2 的表达，调控植物细胞内pH 代谢和细胞稳态（图2）。而在常氧和复氧条件下，MPK3与MPK6会被未知机制所抑制，使得STOP1发生去磷酸化，去磷酸化的STOP1被PUB24介导的泛素化修饰，进而通过泛素-26S蛋白酶体途径降解（图2）。在这一调控网络中，磷脂酸（PA）扮演着“分子胶水”的角色，促进低氧下MPK3/6与STOP1的结合（图2）。该研究首次揭示了PA-MPK3/6-STOP1与PUB24-STOP1模块形成磷酸化-泛素化拮抗机制，动态调控STOP1蛋白稳定性以维持低氧下植物胞内pH代谢稳态的新机制，研究成果对深入理解植物低氧逆境信号应答的调控网络具有重要意义。

图2. STOP1调控植物低氧胁迫应答的模式图

肖仕教授团队已毕业博士生王建红和青年教师周颖副教授为该论文的共同第一作者，肖仕教授为独立通讯作者，中山大学陈琴芳副教授、俞陆军副教授、苏诗豪副教授和谢若瀚副教授也参与了本研究工作。该论文得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的经费资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf257