铜稳态调控拟南芥乙烯响应的新机制

该研究发现拟南芥中铜稳态的核心转录因子SPL7通过C末端跨膜域锚定在内质网并调控乙烯信号转导的细胞机制，为研究铜稳态调控植物开辟了新的方向。研究首次证实了SPL7的双重定位及其在乙烯响应中的调控作用，为铜稳态和乙烯信号转导通路的相互作用提供了新的研究方向。

　　

2022年7月13日，北京大学生命科学学院李磊研究员研究组在New Phytologist杂志在线发表了题为“The carboxy terminal transmembrane domain of SPL7 mediates interaction with RAN1 at the endoplasmic reticulum to regulate ethylene signaling in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现拟南芥中铜稳态的核心转录因子SPL7通过C末端跨膜域锚定在内质网并调控乙烯信号转导的细胞机制，为研究铜稳态调控植物开辟了新的方向。

铜是植物中必需的微量过渡金属，对于乙烯受体的生物合成和功能是必不可少的。作为经典的植物激素，乙烯参与调控诸如种子萌发、幼苗形态、果实成熟、叶片脱落、器官衰老和程序性细胞死亡等生理过程。前期研究表明铜转运体RAN1是将铜传递给乙烯受体的关键转运蛋白，结合了铜离子的乙烯受体才能正常感知乙烯，暗示铜对乙烯的感知及信号转导至关重要。但铜稳态如何与乙烯信号转导通路相互作用，从而调控植物对乙烯的响应仍然未知。

SPL7及其同源基因是绿色植物中高度保守的铜稳态调控因子，具有特有的SQUAMOSA启动子结合蛋白域（SBP）。当植物处于低铜环境中，SPL7上调铜响应基因的表达，促进铜离子的吸收和转运。但由于其复杂的生物化学本质，SPL7在拟南芥细胞内的定位悬而未决。本研究通过细胞生物学的手段，发现其C端具有一个跨膜域（TMD）并将SPL7锚定在内质网，使其具有细胞核和内质网的双重区室化（图1）。

图1.铜稳态核心转录因子SPL7具有内质网定位

进一步的免疫沉淀耦合质谱、酵母双杂交、荧光素酶互补成像和亚细胞共定位分析表明，SPL7通过TMD与内质网上的RAN1相互作用。遗传分析显示，乙烯诱导的三重反应在spl7突变体中显著受损，该表型可通过RAN1过表达回补，而不含TMD的SPL7无法回补表型。进一步的分子实验分析证实了SPL7以TMD依赖的方式调节RAN1的丰度。此外，乙烯信号通路的关键转录因子EIN3结合SPL7启动子并抑制其转录，从而实现乙烯信号对SPL7的反馈调控。这些结果表明，锚定在内质网上的SPL7通过调控RAN1将铜离子转移到乙烯受体，调节植物对乙烯信号的敏感性（图2）。本研究首次证实了SPL7的双重定位及其在乙烯响应中的调控作用，为铜稳态和乙烯信号转导通路的相互作用提供了新的研究方向。

图2.SPL7调控乙烯信号转导的分子模型

李磊为论文通讯作者，北京大学现代农学院博士后杨彦芝为论文第一作者，北京大学现代农学院博士后郝宸、前沿交叉学科研究院已毕业博士杜键美和博士生徐磊对该论文亦有贡献。中国科学院生物物理所蔡华清研究员和南方科技大学郭红卫教授参与了该项研究。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命科学联合中心的资助。北京大学凤凰工程质谱平台对本项目提供了技术支撑。