要闻：郭红卫/柴继杰合作团队《细胞》发文，揭开植物感知胞外酸碱变化之谜

▎药明康德内容团队编辑

(资料图片)

植物具备感应外界酸碱值（pH）变化的能力，其生长发育、免疫反应也与应对细胞外pH值改变有关。然而，植物细胞如何感知胞外pH变化却是一个未解之谜。

日前，南方科技大学郭红卫教授与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰教授合作领衔的团队，破解了这个谜团。2022年8月22日，这支研究团队在顶尖学术期刊《细胞》在线发表论文，首次发现细胞表面的小肽-受体复合物是一种胞外酸碱值（pH）感受器，并揭示了这种pH感受器调控植物生长和免疫的机制。

研究人员首先通过HPTS染色原位观察到植物根尖分生组织细胞外呈现相对酸性的pH环境。当对植物处理免疫小肽Pep1或病原菌相关分子模式（PAMP）时，根尖分生区胞外pH会迅速升高，表明免疫反应会引起根尖分生组织胞外碱化。同时 Pep1激发的免疫反应显著地抑制了根尖分生组织生长。

进一步实验表明，Pep1引起的免疫反应抑制了促进根干细胞生长的小肽激素RGF1信号通路，降低了根尖生长发育关键转录因子PLT1/2的表达。有意思的是，Pep1引起根尖胞外碱化的区域与RGF1和PLT1/2表达区域高度吻合，且RGF1是分泌型小肽信号分子，与受体的相互作用发生在胞外，因此研究人员猜测，或许是免疫引起的胞外碱化影响了RGF1信号通路。于是，研究人员利用H+-ATP酶抑制剂或通过直接升高培养基pH来模拟免疫反应引起的胞外碱化。结果与猜想一致，胞外碱化本身便足以抑制RGF1信号通路，进而证明RGF1信号通路能够响应胞外pH变化。

▲根干细胞生长因子RGF1受体复合物感应免疫小肽Pep1引起的胞外碱化（图片来源：参考资料[1]）

研究人员进一步利用生化、遗传、结构等综合手段，揭示了RGF1信号通路感应胞外pH的分子机制。

他们发现，分泌型小肽信号分子RGF1上有一个磺酸化修饰（sY），该修饰对于RGF1小肽与其细胞膜表面受体（RGI/RGFR）结合至关重要。具体来说，胞外pH维持在酸性环境时，RGF1的磺酸化修饰（sY）处于质子化状态，与受体上的RxGG 基序有强烈的氢键相互作用，介导了小肽与受体的互作，从而诱导受体和共受体复合物的形成，激活下游信号通路。相反，当胞外的pH发生碱化时，RGF1的磺酸化修饰（sY）被去质子化，与受体的相互作用大大减弱，不能诱导形成受体和共受体复合物，阻断了下游信号通路的激活。

此外，不仅RGF1信号通路能够感应胞外pH的变化，Pep1介导的免疫信号通路也能响应胞外pH的变化。但与酸性依赖的RGF1生长信号通路截然相反，Pep1免疫信号通路呈现出碱性依赖。免疫引起的胞外碱化会进一步促进Pep1激发的免疫反应。

进一步研究表明，Pep1受体PEPR上有许多酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）参与了Pep1小肽识别。当胞外的pH维持在酸性环境时，天冬氨酸和谷氨酸处于质子化状态，破坏了Pep1与受体的相互作用，阻碍受体和共受体复合物的形成。当胞外的pH发生碱化时，天冬氨酸和谷氨酸处于去质子化状态，小肽与受体的相互作用大大增强，从而促进了受体和共受体复合物的形成，激活下游免疫信号通路。

研究人员还尝试将RGF1受体与Pep1受体的胞外结构域进行了替换，发现当把RGFR的胞外域替换为PEPR的胞外域后，根尖分生组织由RGF1介导的酸性依赖生长，逆转成了Pep1介导的碱性依赖生长，进一步证实RGF1信号通路和Pep1信号通路通过受体复合物胞外区直接感应胞外pH变化。

▲细胞膜表面小肽受体复合物感应胞外pH模式图（图片来源：参考资料[1]）

综上所述，该研究首次发现了植物胞外pH的感应器，揭示了植物细胞膜表面小肽受体复合物能够感应胞外pH的变化，调控植物生长发育与免疫。同时研究还揭示“胞外碱化”这一植物免疫反应标志，能够作为一个信号分子调控植物生长及免疫的进程，减缓生长，增强免疫，从而优化能量，增强环境适应性。此外，酸性依赖的RGF1信号通路促进根尖分生组织生长的机制，进一步完善了“酸生长理论”。

研究人员指出，这一发现也为未来农业生产中利用 “酸碱调控” 来调节作物生长、抗病、抗逆，提供了理论基础和新的方向。

北京大学博士/南方科技大学访问学者，现德国马克斯普朗克研究所博士后刘莉，与清华大学博士，现德国马克斯普朗克研究所博士后宋文，为本文共同第一作者。南方科技大学郭红卫教授和清华大学-德国马普所-科隆大学柴继杰教授为共同通讯作者。南方科技大学姜凯博士、王益川博士、张丹博士、温兴博士，清华大学韩志富副研究员，博士生黄诗嘉，日本东京大学Yoshitaka Moriwaki博士，中国科学院深圳先进技术研究院门涌帆博士参与了该研究工作。

参考资料：

[1] Li Liu et al., (2022) Extracellular pH sensing by plant cell-surface peptide-receptor complexes. Cell. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.012

更多推荐

点个“在看”再走吧~