2023年11月4日，国际学术期刊Plant Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄朝锋研究组题为“H₂O₂ negatively regulates aluminum resistance via oxidation and degradation of the transcription factor STOP1”的研究论文。该研究发现了铝毒能够促进根部线粒体H₂O₂的产生，进而促进抗铝毒转录因子STOP1的氧化和降解，而硫氧还蛋白TRX1介导STOP1还原的新机制。

　　铝毒是作物在酸性土壤生产的主要限制因子，也是仅次于干旱的第二大非生物逆境。铝毒被报道能在短时间内迅速促进H₂O₂的积累，而H₂O₂的升高可以对植物细胞产生直接危害，也可以作为信号分子参与调控植物对逆境的响应。然而，目前尚不清楚铝毒诱导的H₂O₂积累是否参与铝毒信号转导和植物对铝毒抗性的调控。

　　锌指转录因子STOP1是植物中保守的、关键的抗铝毒因子。该研究组之前的研究表明，STOP1在转录后水平受到包括泛素化、SUMO化、磷酸化、mRNA输送复合物等在内的多重调控。铝毒能够通过激活MEKK1-MKK1/2-MPK4途径促进STOP1磷酸化和稳定性。有报道暗示在植物抗病过程中ROS可能参与激活MPK途径，但是不知道是否铝毒通过促进H₂O₂产生来激活MEKK1-MKK1/2-MPK4途径。

　　该研究组利用受STOP1调控的pAtALMT1:LUC报告基因系进行正向遗传筛选，鉴定了一个使报告基因表达下降的突变体rae6；该突变导致STOP1蛋白积累下降，从而表现对铝毒更敏感。基因克隆发现，RAE6编码一个线粒体定位的P类型的PPR蛋白。进一步的功能解析发现，RAE6主要通过调控线粒体基因nad5的剪切从而影响线粒体复合物I的完整性和功能。在rae6突变中，由于线粒体复合物I功能存在缺陷，导致突变体线粒体中H₂O₂含量上升。而且，铝毒能够同时促进拟南芥野生型和rae6突变体中线粒体H₂O₂的积累。在rae6突变中过量表达H₂O₂清除基因CAT2或对H₂O₂产生基因RBOHD进行突变能够挽救rae6对铝毒敏感的表型。这些结果表明，rae6对铝毒敏感的表型主要由于H₂O₂含量上升导致。

　　由于rae6突变体中H₂O₂和STOP1水平呈现负相关，因此猜测STOP1可能受到氧化修饰而导致降解。通过LC-MS和一系列生化实验，证明了H₂O₂能够在体内和体外对STOP1上的C8、C27、C185三个位点进行氧化修饰，这三个位点的氧化修饰促进了STOP1与F-box蛋白RAE1互作，从而导致STOP1的降解。在rae6突变体中引入氧化修饰缺陷的STOP1或rae1突变能够挽救rae6对铝毒敏感的表型。

　　最后，作者发现硫氧还蛋白TRX1能够与STOP1互作催化它的还原。TRX1的敲除突变或过量表达能够相应地增加或减少STOP1的氧化，从而减少或增加STOP1的蛋白含量，最终减弱或增强植物的抗铝毒能力。

　　综述所述，该研究阐明了铝毒和rae6突变通过促进根中线粒体H₂O₂的积累来介导STOP1上C8、C27、C185位点的氧化，从而增强STOP1与F-box蛋白RAE1的互作、促进STOP1降解，最终削弱植物抗铝毒能力的机制。此外，为了抵消H₂O₂介导的STOP1氧化，硫氧还蛋白TRX1与STOP1互作催化STOP1的还原（图1）。该研究揭示了H₂O₂在铝毒信号转导过程中的负调控作用，它并不参与铝毒激活MEKK1-MKK1/2-MPK4的信号途径，该MPK途径的上游铝毒信号传导还有待作进一步研究。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生魏祥、博士毕业生朱仪方为论文的共同第一作者，黄朝锋研究员是该论文的通讯作者。黄朝锋研究组的谢文香博士、张阳博士和上海师范大学任巍巍博士生、戴绍军教授、张辉教授也参与了部分研究。该研究受到了中国科学院、国家自然科学基金面上项目和植物分子遗传国家重点实验室等的资助。

　　原文链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad281/7344683?searchresult=1

图1 调控STOP1氧化和稳定性的工作模型。线粒体定位的PPR蛋白RAE6调控线粒体复合物I的组分基因nad5的剪切。rae6突变和铝毒促进线粒体H₂O₂的积累，进而引起STOP1的氧化，然后通过增强与F-box蛋白RAE1的互作促进STOP1的降解，从而导致STOP1下游基因ALMT1和MATE表达的下降，最终减弱植物对铝毒的抗性。此外，硫氧还蛋白TRX1通过与STOP1互作催化STOP1的还原。