MMDH2通过调控羟脯氨酸积累介导拟南芥铁缺乏胁迫响应的分子机制

本研究揭示了线粒体苹果酸脱氢酶MMDH2通过调控羟脯氨酸(HYP)积累，在拟南芥铁(Fe)缺乏胁迫响应中的关键作用。研究人员发现ILR3转录因子直接激活MMDH2表达，通过HYP信号通路调节ROS水平和NAS4基因表达，为作物铁营养改良提供了新靶点。

　　

铁是植物生长发育必需的微量元素，但在碱性土壤中，铁主要以难溶的Fe³⁺氧化物形式存在，生物有效性极低。铁缺乏会导致植物叶片黄化、生长受阻，是全球范围内限制作物产量的主要因素之一。虽然植物已进化出复杂的铁吸收调控系统，包括FRO2介导的铁还原和IRT1介导的铁吸收等机制，但线粒体代谢如何参与铁稳态调控仍不清楚。

合肥工业大学食品与生物工程学院的研究人员发现，线粒体苹果酸脱氢酶MMDH2在拟南芥铁缺乏响应中发挥核心作用。通过构建mmdh2突变体和过表达株系，结合代谢组学和分子生物学技术，揭示了MMDH2-羟脯氨酸-ROS信号轴调控铁稳态的新机制。相关成果发表在《Plant Stress》上。

研究主要采用以下关键技术：表型分析比较野生型、突变体和过表达株系在铁缺乏条件下的生长差异；LC-MS代谢组学分析差异代谢物；酵母单杂交和染色质免疫沉淀(ChIP)-qPCR验证转录调控关系；酶活检测评估MDH活性；DAB染色和H₂O₂含量测定分析ROS水平。

3.1. mmdh2突变体对铁缺乏胁迫敏感
研究发现mmdh2突变体在铁缺乏条件下表现出明显的生长抑制、叶绿素含量下降和生物量减少，在碱性土壤中表型更为显著，表明MMDH2正向调控植物对铁缺乏的耐受性。

3.2. MMDH2过表达株系具有铁缺乏抗性
过表达MMDH2的株系OE11和OE13在铁缺乏条件下保持较高叶绿素含量和生物量，铁含量显著高于野生型，证实MMDH2是铁缺乏响应的正调控因子。

3.3. MMDH2受铁缺乏诱导表达
RT-qPCR和GUS染色显示，铁缺乏显著上调MMDH2表达。酶活检测发现MMDH2活性与铁含量呈正相关，且过表达株系中NAS4基因表达显著上调。

3.4. MMDH2参与调控ROS水平
DAB染色和H₂O₂含量测定表明，mmdh2突变体在铁缺乏时ROS积累加剧，而过表达株系ROS水平降低，说明MMDH2通过调节ROS平衡影响铁缺乏响应。

3.5. 代谢组学分析发现关键代谢物
通过LC-MS鉴定出13种铁缺乏响应差异代谢物，其中羟脯氨酸(HYP)在mmdh2突变体中积累异常，且与精氨酸和脯氨酸代谢通路显著相关。

3.6. 羟脯氨酸恢复mmdh2突变体表型
外源添加HYP能挽救mmdh2突变体的铁缺乏敏感表型，降低ROS水平，证明HYP是MMDH2下游的信号分子。进一步实验发现mmdh2突变体中脯氨酸向HYP的转化受阻。

3.7. ILR3正向调控MMDH2转录
酵母单杂交和ChIP-qPCR证实，bHLH转录因子ILR3直接结合MMDH2启动子的E-box元件激活其表达。ilr3突变体表现出与mmdh2类似的铁缺乏敏感表型。

该研究首次阐明了MMDH2-HYP-ROS信号轴在植物铁缺乏响应中的核心作用。ILR3-MMDH2调控模块的发现，将上游铁感知与下游代谢调控联系起来，为理解植物营养胁迫响应提供了新视角。在应用方面，通过调控MMDH2表达或HYP代谢可能培育适应碱性土壤的铁高效作物品种。但需注意ROS平衡与抗病性的潜在权衡，这为后续研究指明了方向。

研究创新性地将线粒体代谢酶与氨基酸信号分子联系起来，揭示了代谢重编程与营养胁迫适应的新机制。未来研究可深入探索HYP的受体识别机制，以及MMDH2在不同亚细胞区室中的功能分化，为作物铁营养遗传改良提供更多理论依据。