三篇！朱健康/南农揭示细胞壁调控植物抗盐胁迫的机制
植物细胞壁是高度动态的结构，在生长，发育和适应不断变化的环境中为植物细胞提供机械支持。因此，植物必须始终监测其细胞壁的状态并确保其功能完整性。其中涉及到对细胞壁-质膜间期的物理力的感知。这些力在细胞分裂和形态发生过程中发生改变，并且响应各种非生物和生物应激。最近，由于实验到技术到进步，导致细胞壁相应外界环境到信号通路被初步揭示，具体如下：
2018年12月5日，PNAS杂志在线发表了来自中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康课题组发表题为“Leucine-rich repeat extensin proteins regulate plant salt tolerance in Arabidopsis”的研究论文，该研究发现特异性细胞壁结构蛋白（LRXs），小肽（RALFs）和质膜定位受体样激酶（FER）可作为协调细胞壁完整性，植物生长和盐胁迫反应的信号通路。
2019年4月22日，New Phytologis杂志在线发表了来自中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康课题组题为“Arabinose biosynthesis is critical for salt stress tolerance in Arabidopsis“的研究论文。本文鉴定了参与植物细胞壁组成部分的L-阿拉伯糖代谢的UDP-D-木糖-4-差向异构酶1（UXE1）的突变对盐胁迫敏感，说明了细胞壁中的阿拉伯糖代谢对于植物抗盐胁迫反应具有重要作用！2020年12月2日，Molecular Plant在线发表了南京农业大学生命科学学院张阿英教授课题组题为“Cell Wall β-1,4-galactan Regulated by BPC1/BPC2-GALS1 Module Aggravates Salt Sensitivity in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究揭示了细胞壁组分β-1,4-半乳聚糖在植物耐盐性中重要作用，并深入研究其调控植物耐盐性的机制。
1.背景知识
在植物体中,初级细胞壁是由纤维素微纤丝与木葡聚糖和阿糖基木聚糖等半纤维素相互联结并嵌入在果胶胶体组合而成。细胞壁还含有酚醛树脂、过氧化物酶、果胶酯酶以及其他酶类;伸展蛋白,扩张蛋白以及其他蛋白质和Ca2+离子。盐害、干旱胁迫以及其他渗透胁迫导致ROS积累以及细胞壁的变化。ROS的积累会引起酚醛树脂和细胞壁伸展蛋白等糖蛋白的交联,最终导致细胞壁硬化。另一方面,胁迫可增加扩张蛋白和木葡聚糖修饰酶基因的表达,从而重塑细胞壁。盐胁迫还能够导致细胞壁Ca2+的损失。最近,细胞壁胁迫被认为可引起与真菌细胞的细胞壁整合(CWI)途径类似的专一的信号途径。在酵母中,细胞壁应激反应主要是由细胞壁结合的质膜蛋白Wsc1-3、Mid2和Mtl1感知,但这些感受器怎样检测到细胞壁变形尚不清楚。同时，具体的植物细胞壁胁迫感受器尚未被鉴定。
细胞壁变化极大地影响植物抗逆性。在拟南芥sos6(盐超敏感6)突变体中,果胶生物合成酶At CSLD5的功能紊乱,引起细胞壁发生微妙的缺陷,导致氧化胁迫,并显著增加突变体对渗透胁迫、盐和干旱胁迫的敏感性(Zhu et al.,2010)。最近,Endler等(2015)鉴定出纤维素合成酶复合体中的两种蛋白质,能帮助复合体与微管连接,对盐胁迫下植物的生长很重要(Endler et al.,2015)。胁迫条件下植物细胞壁的生理和化学变化,以及这些变化如何被植物感知,信号如何被传导,以及CWI的输出等仍有待研究。
图. 植物细胞壁-质膜信号通路总结
论文解读：
1. 2019年4月22日，New Phytologis杂志在线发表了来自中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康课题组题为“Arabinose biosynthesis is critical for salt stress tolerance in Arabidopsis“的研究论文。
L-阿拉伯糖（Ara）是植物特异性单糖，其存在于拟南芥中10-20％的非纤维素细胞壁多糖中。Ara存在于阿拉伯聚糖和I型阿拉伯半乳聚糖中，它们是果胶壁的主要成分。除了多糖，许多糖蛋白，例如伸展蛋白和富含亮氨酸的重复伸展蛋白，及一些分泌的CLE肽和普遍存在的阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）也是阿拉伯糖基化的。
Ara有两种环形式，即呋喃糖（Araf）和吡喃糖（Arap）形式。在植物中Ara以Araf形式存在。然而，Ara最初通过de novo途径或通过补救途径合成为UDP-Arap的形式，然后UDP-Arap在胞质溶胶中转化为UDP-Araf。UDP-Arap的从头合成是由UDP-Glc脱氢酶（UGD）催化的UDP-Glc至UDP-葡糖醛酸，之后UDP-葡糖醛酸脱羧酶（UXS）随后催化UDP-GlcA转化为UDP-木糖。之后UDP-Xyl-4-差向异构酶（UXE）催化 UDP-Xyl向UDP-Arap的转化、之后在UDP-Ara变位酶的作用下将合成的UDP-Arap转化为UDP-Araf。
在这项研究中，通过对拟南芥中对盐胁迫过敏的突变体进行了遗传筛选，鉴定了几种在盐胁迫下表现出根伸长异常的突变体。其中一种突变体就是UDP-D-木糖-4-差向异构酶1（UXE1）基因（MUR4）被突变，导致在高浓度的NaCl，KCl，NaNO3或KNO3下根伸长减少（如下图）。
进一步研究表明，UDP-Ara生物合成所需的MUR4基因突变导致盐胁迫下的根伸长减少的表型可以通过应用外源Ara来恢复，进一步证实由于Ara的水平的降低会导致对盐敏感。同时，在盐胁迫下，MUR4基因的突变导致细胞-细胞粘附异常（见下图）。此外，该研究证明了MUR4的三个旁系同源物MURL，DUR，MEE25也有助于UDP-Ara的生物合成，并且对于维持拟南芥的根伸长是必需的。
综上，该工作揭示了Ara代谢在盐胁迫耐受中的重要性，并且还提供了对植物中UDP-Ara生物合成所涉及的酶的新见解。
2. 2018年12月5日，PNAS杂志在线发表了来自中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康课题组发表题为“Leucine-rich repeat extensin proteins regulate plant salt tolerance in Arabidopsis”的研究论文。
FER是拟南芥中受体样激酶CrRLK1L家族的成员，在多种细胞过程中具有多效功能。FER被鉴定为RALF（快速碱化因子）肽的受体，RALF23肽通过抑制FER蛋白，减少配体诱导的FLS2 / EFR-BAK1复合物的结合。最近报道，在植物暴露于高盐度胁迫后，FER是恢复根系生长所必需的，并且FER可通过直接结合果胶来感知盐诱导的细胞壁变化（见下图）。这些暗示FER的多功能可能归因于其在细胞壁完整性信号的传感和中继中的作用。
图1. 高盐度条件下FER信号调节细胞壁完整性的模型（Feng W， Curr Biol. 2018 ）
富含亮氨酸的重复伸展蛋白（LRX）是一组细胞壁蛋白，其具有N末端富含亮氨酸的重复（LRR）结构域和C末端伸展蛋白结构域。预测显示伸展蛋白结构域可能参与细胞壁组分（例如果胶）的交联。在拟南芥中，有11种LRX蛋白，其中LRX3，LRX4和LRX5是参与植物生长和细胞壁形成调节的蛋白质。那么LRX3，LRX4和LRX5与FER是否会在植物对盐胁迫反应中有联系呢？
以前研究观察，拟南芥lrx34双和lrx345三突变体在细胞壁组成中有缺陷并且表现生长迟缓。而该研究在NaCl存在下培养这些突变体，发现lrx34和lrx345都表现出严重的盐超敏反应（如下图2），其中lrx345三突变体中最显著，说明了三种LRX蛋白在盐胁迫下具有功能冗余的重要作用。进一步发现lrx345和fer-4突变体表现出非常相似的表型，包括生长迟缓，花青素积累增加和对NaCl的敏感性显着增加（下图2）。这些结果表明LRX3/4/5和FER可能在相同的生长控制和耐盐性途径中起作用。
图2.lrx345和fer-4突变体表现出相同的盐胁迫超敏反应
接下来，为了研究LRX蛋白在生长调节和耐盐性中的作用机制，研究者通过研究LRX3和4蛋白的IP-MS分析表明，RALF肽RALF22，RALF23都能与LRX3和4蛋白结合，同时表明，FER也能与RALF23以及RALF22相互作用，但FER不能与LRX蛋白相互作用。另一方面，通过超表达RALF22基因，发现转基因植物具有与lrx345和fer-4突变体类似，显示出延迟的生长和对NaCl的超敏性（如下图3），说明了lrx345突变体的盐超敏表型可能是由RALF肽介导FER起作用的。同时，lrx345突变体的盐超敏表型在很大程度上被s1p突变（加工RALF肽的一种酶）抑制，进一步表明lrx345突变体的盐敏感性增强是由成熟活性形式的RALF肽介导的。
图3. RALF22过表达植物表现出与lrx345和fer-4突变体相似表型
最后，为了研究RALF22和RALF23肽是否可以诱导FER的内化，研究者用合成的成熟RALF22和RALF23肽处理pFER :: FER-GFP转基因植物，然后检查FER-GFP在处理的根中的亚细胞定位。观察结果表明成熟的RALF22/23可诱导FER的内化。同时用NaCl处理后也检测到FER-GFP的内化（下图4），这与NaCl诱导成熟RALF积累是一致的。
图4. RALF肽和盐胁迫促进FER蛋白的内化。
因此，该研究表明，特异性细胞壁结构蛋白（LRXs），小肽（RALFs）和质膜定位受体样激酶（FER）可作为协调细胞壁完整性，植物生长和盐胁迫反应的信号通路。在正常条件下，LRX3/4/5蛋白与RALF22/23肽相互作用，可能是为了防止RALF22/23肽与FER蛋白结合，从而抑制FER蛋白的内化。在盐胁迫下，LRX3/4/5蛋白可以直接感知细胞壁中盐诱导的变化，并且RALF肽与LRX解离以将细胞壁信号转导至FER蛋白，以抑制FER蛋白介导的植物生长途径，启动盐胁迫反应（见下图5）。
3. 2020年12月2日，Molecular Plant在线发表了南京农业大学生命科学学院张阿英教授课题组题为“Cell Wall β-1,4-galactan Regulated by BPC1/BPC2-GALS1 Module Aggravates Salt Sensitivity in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究揭示了细胞壁组分β-1,4-半乳聚糖在植物耐盐性中重要作用，并深入研究其调控植物耐盐性的机制。该论文发现，盐胁迫可以通过上调半乳聚糖合成酶1（GALACTAN SYNTHASE 1, GALS1）的表达来提高拟南芥根细胞壁中β-1, 4-半乳聚糖含量，从而影响植物结晶纤维素的合成，最终加重植物对盐胁迫的敏感性。外源添加D-半乳糖不仅可以显著提高细胞壁中β-1, 4-半乳聚糖含量，还明显加重植物对盐胁迫的敏感性。
进一步研究发现，GALS1的表达受BARLEY B RECOMBINANT/BASIC PENTACYSTEINE转录因子BPC1和BPC2直接调控。该研究揭示细胞壁组分β-1,4-半乳聚糖调控植物耐盐的新机制，为细胞壁响应非生物胁迫的研究领域提供了新的认识和视角。