自噬在缓解拟南芥（Arabidopsis thaliana）中由酸应激引起的过度敏感反应中的关键作用

《Journal of Hazardous Materials》：The Critical Role of Autophagy in Mitigating Acid Stress-Induced Hypersusceptibility Response in Arabidopsis thaliana

植物酸性胁迫下自噬作用与代谢响应机制研究，发现ATG5和ATG8基因通过调控线粒体呼吸和糖代谢平衡参与植物抗逆。自噬缺陷株在pH4.0环境下出现氧化损伤加剧、叶绿素降解、氨基酸耗竭及糖分异常积累。研究揭示了自噬在植物应对酸性胁迫中的关键代谢调控作用，为改良作物耐酸性提供理论依据。

　　

朱莉娅·德·帕伊瓦·贡萨尔维斯（Julia de Paiva Gon?alves）|杰西卡·阿琳·索萨·巴罗斯（Jessica Aline Sousa Barros）|比安卡·布埃诺·诺盖拉（Bianca Bueno Nogueira）|罗德里戈·康森蒂诺·德·卡瓦略（Rodrigo Consentino de Carvalho）|马塞莱·费雷拉·席尔瓦（Marcelle Ferreira Silva）|韦尔森·朱尼奥尔·席尔瓦（Welson Junior Silva）|丽塔·德·卡西亚·蒙特罗·巴蒂斯塔（Rita de Cássia Monteiro Batista）|奥克西利阿多拉·奥利维拉·马丁斯（Auxiliadora Oliveira Martins）|阿德里亚诺·努内斯-内西（Adriano Nunes-Nesi）|瓦格纳·L·阿劳霍（Wagner L. Araújo）

巴西米纳斯吉拉斯州维索萨联邦大学（Universidade Federal de Vi?osa）植物生物学系，国家植物生理学与压力条件科学技术研究所（National Institute of Science and Technology on Plant Physiology Under Stress Conditions），邮编36570-900

摘要

酸胁迫是限制植物生长的主要因素，主要是由于土壤中H⁺浓度升高，这会降低养分的可用性并引发代谢变化。在受到各种非生物胁迫的植物中，自噬是一种关键的蛋白水解系统，可以减轻细胞损伤。自噬由自噬相关基因（称为ATG基因）调控，通过将细胞质成分隔离到液泡中来实现其降解和再利用。尽管自噬在酸性环境中的作用已在人类细胞中得到证实，但其在植物对酸性条件反应中的作用仍不甚清楚。本研究结果表明，ATG5和ATG8在酸性环境（pH 4.0）下对植物反应有积极作用。缺乏ATG5的植物比野生型（WT）和atg7突变体植物表现出更严重的氧化损伤，后者可能由于替代氧化酶（AOX）表达较高而更能有效应对酸胁迫。此外，酸胁迫会降低线粒体呼吸作用、叶绿素含量，并导致可溶性糖类显著增加，同时自噬缺陷突变体（atg5-1和atg7-2）中的氨基酸池减少。酸性pH值会引发自噬相关突变体中TCA循环基因的不对称诱导，表明其无法维持有效的循环流动，从而导致氧化还原失衡和代谢中间产物的积累。综上所述，我们的发现表明酸性pH值会引发植物的过度敏感反应，尤其是在自噬功能受损的植物中，并突出了自噬在调节拟南芥（Arabidopsis thaliana）应对酸胁迫过程中的代谢和分子适应中的作用。

引言

由于植物的固定生长特性，它们会反复受到干旱、光照和离子毒性等多种环境胁迫（Avin-Wittenberg, 2019）。即使这些胁迫程度较轻，也可能对植物生长产生不利影响，进而降低作物产量[1]。事实上，酸胁迫被广泛认为是限制植物生长的关键因素（Shavrukov & Hirai, 2015）。据估计，全球约50%的潜在可耕地属于酸性土壤

生长条件及pH处理

本研究使用了拟南芥野生型（Col-0）及其突变体atg5-1（SAIL_129B079; Hanoaka et al., 2002）、atg7-2（GK-655B06; [28]）和ATG8-GFP（GFP-ATG8g-HA; [23]）来研究自噬过程。种子先用1毫升70%乙醇消毒1分钟，再用2.5%次氯酸钠消毒15分钟。随后用无菌水多次冲洗以去除所有次氯酸钠残留物。消毒后，种子在4°C下保存48小时，并分散在无菌培养皿中

pH值对根系生长的影响及通过共聚焦分析验证酸性条件下的自噬基因表达

为了评估自噬缺陷对酸性pH条件下根系生长的影响，我们将自噬缺陷突变体（atg5-1和atg7-2）与野生型（WT）植物在最佳（pH 5.7）、中等（pH 5.0）和酸性（pH 4.5和4.0）条件下的生长情况进行比较。分析结果显示，pH值降低显著抑制了野生型植物的根系发育（图1A）。相比之下，自噬缺陷突变体的根系发育受到更严重的影响

讨论

目前关于pH值如何调节植物适应性反应的研究仍然不够系统。大多数研究主要集中在植物物种对土壤pH变化的响应分布上[3]，而非深入探讨植物对酸性的响应机制。本研究旨在探讨自噬在中等酸化条件下的作用。自噬是植物适应各种非生物胁迫的关键细胞过程

结论

总之，我们的研究表明，酸性pH值会显著抑制根系生长，并可能引发广泛的代谢重编程，最终导致幼苗的过度敏感反应，尤其是在自噬缺陷突变体（atg5-1和atg7-2）中。这些反应与光合成分（叶绿素a+b）的减少、氨基酸池的耗竭、活性氧（ROS）水平的升高以及糖类含量的增加密切相关（如前文所述[56]。

环境意义（字数限制：100字）

酸性土壤（pH < 5.5）占全球潜在可耕地面积的近一半，是影响粮食安全的主要环境因素。高浓度的H?限制了必需营养元素（磷、钙、铁、镁）的供应，严重阻碍了作物生长和产量。虽然施用石灰等改良措施能提供部分或短期的缓解，但仍有大片土地面临减产或无法耕种的风险。了解植物如何感知和适应酸性土壤对于

未引用的参考文献

[60], [61], [62]

CRediT作者贡献声明

罗德里戈·康森蒂诺·德·卡瓦略（Rodrigo Consentino de Carvalho）：研究工作、数据分析。比安卡·布埃诺·诺盖拉（Bianca Bueno Nogueira）：研究工作、数据分析。韦尔森·朱尼奥尔·席尔瓦（Welson Junior Silva）：研究工作、数据分析。马塞莱·费雷拉·席尔瓦（Ferreira-Silva Marcelle）：初稿撰写、研究工作、数据分析。瓦格纳·L·阿劳霍（Wagner L. Araújo）：初稿撰写与编辑、审稿、项目监督、资金申请、概念构思。杰西卡·索萨·巴罗斯（Barros Jessica Sousa）：初稿撰写、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了巴西国家科学技术发展委员会（CNPq-Brazil，资助编号407276/2021-1、406455/2022-8和403016/2023-1）、米纳斯吉拉斯州研究基金会（FAPEMIG-Brazil，资助编号APQ-01942-22和RED-00060-23）的支持。同时感谢CNPq-Brazil为A.N.N.和W.L.A.提供的研究奖学金，以及CNPq为JPG和JASB提供的奖学金。共聚焦显微镜分析工作在相关实验室完成。