《Journal of Molecular Biology》：Rising Stars: Adaptation to Environment:From Hormone Signaling to Gene Silencing
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植物激素乙烯信号传导机制及环境感知研究。揭示了EIN3蛋白的泛素化降解机制、mRNA衰变调控siRNA介导的基因沉默以及植物通过肽受体和相位分离蛋白感知pH和渗透压变化的环境适应机制。
郭洪伟|王一川|王振宇|刘月琳
中国广东省深圳市南方科技大学生命科学学院
摘要
植物的生存依赖于能够感知和整合内部激素信号与外部环境线索的敏感高效系统。解开植物如何感知和适应环境变化的问题是一个基本的生物学问题，这与作物改良和可持续农业有着直接的相关性。郭洪伟在博士期间接受了植物分子遗传学和光信号传导方面的培训，随后研究多种信号通路如何协同作用以调控植物发育。在他的博士后工作中，他发现了EBF1/2介导的EIN3蛋白的泛素-蛋白酶体降解过程是乙烯信号传导的核心机制。在此基础上，他的独立研究揭示了额外的转录后调控机制：蛋白酶体切割和翻译抑制，这些机制能够精细调节植物的乙烯响应。他还建立了一个以EIN3为中心的调控网络，该网络整合了激素和环境信号，以协调多种生理过程。通过对乙烯激活植物的正向遗传筛选，他的研究扩展到了基于siRNA的调控领域。他的团队发现了一种细胞质“双重保护”机制：mRNA降解受损会触发编码转录本衍生的siRNA（ct-siRNA）的产生，从而沉默内源基因。他们进一步表明，在非生物胁迫下，应激诱导的22-nt ct-siRNA能够增强沉默效应，调节硝酸盐吸收和能量平衡。最近，郭洪伟的实验室专注于研究植物细胞如何感知周围环境的物理和化学变化。他们发现了两种细胞外肽-受体复合物作为质外体pH值的传感器，并证明细胞质蛋白DCP5通过相分离形成新的应激颗粒，从而快速重新编程基因表达。总体而言，郭洪伟的研究将激素信号传导、基因调控和环境适应联系在了一起。
引言
植物是固定不动的生物，它们依靠多层次的信号网络将内部激素信号与外部环境输入整合起来。在植物激素中，气体信号乙烯在协调不同组织和发育阶段的生长、衰老和应激响应中起着核心作用。这些乙烯信号，如同许多其他发育决策一样，通过基于RNA的机制（包括mRNA质量控制和小干扰RNA（siRNA）在转录后和翻译水平上进行精细调控。最终，这些内部信号传导和基因调控回路必须与对环境物理和化学特征（如质外体pH值和渗透压状态）的感知相连接，以便植物细胞能够动态调整代谢和形态。基于上述概念框架，我们研究了乙烯信号传导、基于siRNA的基因沉默以及环境感知如何在不同的但互补的层面上共同作用于植物发育和应激适应。我们的工作阐明了以转录因子EIN3为中心的乙烯通路的多层次调控机制，揭示了mRNA降解缺陷如何触发ct-siRNA介导的沉默作为适应性策略，并发现了作为质外体pH值和渗透压应力传感器的细胞外肽-受体复合物及相分离蛋白。通过整合这些研究线索，我们旨在构建一个连贯的框架，将激素信号传导、基因调控和前沿环境感知联系起来，最终为培育具有更强适应性和生产力的作物提供理论支持。
第一部分 乙烯的信号传导机制和生理作用
乙烯是一种气体激素，能够协调广泛的发育和应激响应——从典型的“三重响应”（如黄化幼苗的反应）到根毛形成、叶片衰老和果实成熟[1]。自上个世纪首次鉴定乙烯为植物激素以来，早期研究描述了它对植物生长的多种生理效应，并逐渐阐明了乙烯生物合成的生化途径[2]。
乙烯信号传导的三个核心机制
1) 通过EBF1/2介导的EIN3蛋白酶体降解，这是乙烯信号传导中的关键调控步骤
在我博士后培训的早期阶段，在索尔克研究所（Salk Institute），SCF E3-连接酶介导的蛋白酶体降解被认为是多种激素通路中的核心调控开关，这引发了关于乙烯信号传导是否也通过类似机制进行的问题[4]；然而，具体的泛素-蛋白酶体成分以及ER定位的EIN2如何向核内EIN3传递信号的具体途径仍然未知[2]。
以EIN3为中心的分子框架调控器官发育和应激适应
随着三个关键机制的确立——SCF EBF1/2介导的EIN3蛋白酶体降解、EIN2的切割与核内转运以及EIN2引导的翻译抑制——我们可以将这些机制横向应用于不同的发育过程，解释乙烯如何与其他激素和环境信号相互作用。我们组织了这些进展，重点关注以EIN3为中心的分子网络（图2）。
1) 顶端钩状结构的形成，这是激素与光信号相互作用的枢纽
资源和工具：数据库、化学生物学和定量表型分析
为了解释乙烯如何在不同时间尺度上与其他激素和环境线索协同作用，我们开发了以下工具：(i) 能够无测量偏差地量化快速生长动态；(ii) 以时间精度干扰特定的生物合成/降解节点；(iii) 系统化分散的知识。
定量表型分析
由于乙烯响应发生得非常迅速且对光敏感，我们建立了一个自动化的、高通量的红外成像平台，用于追踪在黑暗条件下生长的植物。
第二部分 mRNA质量控制和小RNA的功能
小RNA介导的RNA干扰（RNAi）是真核生物中的序列特异性调控机制[51, 52]。在植物中，小RNA通过转录基因沉默（TGS）和转录后基因沉默（PTGS）来调控发育和应激响应，并提供对外源核酸（包括转基因和病毒）的防御[53, 54, 55]。尽管具有强大的沉默能力，但大多数内源性蛋白质编码mRNA很少产生siRNA，这引发了一个疑问……mRNA降解：对内源基因转录后沉默的保护机制
在我们的实验室中，这个问题的发现源于在EIN3过表达背景下进行的乙烯信号传导调控因子的正向遗传筛选[56]。我们发现了几种具有扩大子叶表型的突变体，这些表型类似于ein3功能缺失突变体的表现。基因定位和克隆显示，这些突变影响了两个主要的细胞质mRNA降解途径：EIN5/XRN4（5′–3′外切核糖核酸酶）和SKI2/SKI3（SKI-外体3′–5′降解机制的核心成分）。22-nt siRNA通过翻译抑制将RNA沉默与营养适应联系起来
拟南芥编码四种Dicer样蛋白，它们产生的小RNA具有不同的调控作用。DCL1生成21-nt miRNA来调控内源基因，DCL3产生24-nt siRNA用于RdDM，DCL4产生的21-nt siRNA/phasiRNA主要通过靶标切割发挥作用[54]。相比之下，DCL2产生的22-nt siRNA虽然已知参与抗病毒和系统性的沉默作用，但其内源性功能一直不清楚，主要是因为在正常情况下它们非常稀少。
ct-siRNA在ABA、营养和热应激适应中的作用
除了营养限制之外，我们进一步研究了ct-siRNA在更广泛的环境响应中的作用。我们发现ABA通过ABI3作用，可以减弱SKI-外体介导的3′–5′降解。因此，经ABA处理的
ein5植物会进入类似
ein5 ski2的状态，并积累大量的
NIA1/2衍生的ct-siRNA。这些ct-siRNA抑制
NIA1/2的表达，使植物对ABA变得高度敏感。因此，ABA信号传导可以直接影响mRNA的降解。
第三部分 植物环境感知的新见解
激素和基因表达是植物应对不断变化环境的两大方式。然而，植物何时以及如何响应这些变化的前提是它们必须能够感知到变化的发生。与移动的动物不同，固定不动的植物进化出了独特的感知环境变化的能力。没有这些能力，现代植物可能无法适应地球环境。
通过肽-受体复合物感知细胞外pH值
植物细胞的细胞外空间被称为质外体。质外体在营养吸收、细胞间通信和植物-微生物相互作用中起着关键作用[65, 66, 67]。作为一个开放系统，质外体的物理化学性质会受到植物细胞和环境的影响。例如，根据“酸生长理论”，在促进生长的激素生长素存在下，跨膜H
+-ATP酶会被激活，从而……
蛋白质相分离：植物渗透压感知的新机制
渗透压应力是最常见的非生物胁迫之一，威胁着植物的生存和粮食安全。作为细胞内外水分势不平衡的相对状态，渗透压应力通常由干旱、洪水、极端温度和土壤盐碱化等多种环境线索引起。渗透压应力会显著改变植物细胞的水分含量，改变其膨压和形态，引发一系列细胞内的物理化学变化。
未来方向
乙烯是首个通过遗传学方法鉴定出受体的植物激素。然而，乙烯受体和关键调控因子的结构，以及乙烯感知和信号传导的分子基础仍然不清楚。这些研究不仅对于揭示乙烯在分子层面的信号传导机制至关重要，也有助于理解乙烯信号传导如何受到细胞内微环境（如氧化还原平衡）的调节。
CRediT作者贡献声明
郭洪伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。王一川：撰写——初稿。王振宇：撰写——初稿。刘月琳：撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
致谢
郭洪伟的研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号32230008）、New Cornerstone Science Foundation（项目编号NCI202235）以及南方科技大学的支持。
