近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院設(shè)施園藝孫錦教授團隊在Journal of Integrative Plant Biology期刊發(fā)表了題為“Tomato TGase positively regulates thermotolerance by inducing polyamine to activate autophagy”的研究論文。該研究構(gòu)建了TGase-SAMS2-多胺-自噬的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示番茄高溫抗性分子機制，為培育耐熱品種提供理論依據(jù)，對保障設(shè)施農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增效具有重要意義。

番茄是我國及全球重要的蔬菜作物，設(shè)施栽培中高溫脅迫是制約其產(chǎn)量與品質(zhì)的重要因素。高溫能夠?qū)е碌鞍踪|(zhì)變性、代謝紊亂，最終引發(fā)嚴重減產(chǎn)。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（TGase）通過催化多胺（PA）與蛋白質(zhì)共價結(jié)合，形成穩(wěn)定大分子，增強植物抗逆性。PA能促進變性蛋白復(fù)性，調(diào)控蛋白降解途徑清除不可逆損傷蛋白，從而提升植物高溫耐受性。自噬（autophagy）作為真核生物保守的蛋白降解機制，通過清除變性蛋白并將氨基酸回收再利用，增強植物逆境適應(yīng)性。高溫脅迫下蛋白降解與自噬活性密切相關(guān)，但TGase介導(dǎo)的蛋白修飾與自噬途徑在熱應(yīng)激中的協(xié)同作用機制尚未明晰。

該研究發(fā)現(xiàn)TGase過表達植株增加了耐熱性，降低了不溶性和泛素化蛋白水平，而敲除TGase基因會降低番茄植株對高溫的耐受性，泛素化蛋白水平升高（圖1）。此外，TGase還能促進高溫脅迫下自噬相關(guān)基因（ATG）的表達和自噬體的形成，而在TGase過表達植株中沉默ATG5和ATG6降低了TGase誘導(dǎo)的耐熱性。結(jié)果表明高溫脅迫下，TGase通過調(diào)節(jié)自噬來維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)并提升番茄植株的耐熱性。

圖1. 番茄TGase在高溫脅迫中的功能分析。

通過對高溫下WT、tgase、TGaseOE三種株系的內(nèi)源PA含量以及PA合成相關(guān)基因表達差異進行分析，發(fā)現(xiàn)TGase誘導(dǎo)了高溫脅迫下PA合成相關(guān)基因的表達和內(nèi)源性PA的積累。其中SAMS2基因的表達差異最為顯著，不僅常溫下由于TGase的敲除導(dǎo)致表達量降低，而且高溫下在tgase中的表達也顯著低于TGaseOE植株。通過酵母雙雜交、GST pull-down、Co-IP、LCI和BiFC等實驗表明TGase與SAMS2蛋白互作。而且，敲除SAMS2可降低TGase誘導(dǎo)的番茄耐熱性和自噬體的形成（圖2）。此外，外源亞精胺可以提升番茄植株的耐熱性，并且能夠促進WT和tgase自噬體的形成，表明PA在TGase誘導(dǎo)的耐熱性和自噬體形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過蛋白質(zhì)降解實驗發(fā)現(xiàn)TGase能夠抑制SAMS2蛋白通過26 S蛋白酶體依賴性降解，說明TGase通過影響SAMS2蛋白的穩(wěn)定性調(diào)控PA合成。

圖2. SAMS2基因在TGase誘導(dǎo)番茄耐熱性和自噬體積累中的功能分析。

綜上所述，TGase與SAMS2蛋白互作以抑制SAMS2降解，促進了內(nèi)源PA積累。PA能夠誘導(dǎo)ATG的表達和自噬體的形成，吞噬高溫脅迫損傷的蛋白質(zhì)進行再利用，從而降低了高溫脅迫下的不溶性蛋白質(zhì)聚集水平，最終增強了番茄植株耐熱性（圖3）。

圖3. 番茄TGase調(diào)控自噬在高溫脅迫中的作用模式圖

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院已畢業(yè)的鐘珉博士（現(xiàn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院副教授）、在讀碩士生崔青莘和楊艷博士為該論文共同第一作者，王玉副教授和孫錦教授為本文通訊作者。張可博士、劉曉英副教授、龐冠博士、楊立飛副教授和郭世榮教授參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費、江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項目的資助。

文章鏈接：http://doi.org/10.1111/jipb.13955