景杰生物 | 报道  

N-糖基化修饰是真核生物中一种重要的蛋白质翻译后修饰，在许多生物学过程中起着关键作用，包括蛋白质折叠、受体-配体相互作用、免疫应答和疾病发病机制等。在植物中，N-糖基化修饰的重要生理作用与其结构密切相关，在植物发育的各阶段，从种子萌发、生长到果实成熟，植物N-糖链组均会发生特征性的结构和含量变化，形成特征性的指纹图谱。最近的研究表明，N-糖链上的末端甘露糖剪切对于植物根发育、细胞壁合成和盐胁迫应答至关重要[1-3]，然而，N-糖基化在碱胁迫应答中的作用仍不得而知。

近日，福建农林大学许卫锋教授团队在Cell Press旗下交叉学科期刊 iScience 上发表了题为 MNSs-mediated N-glycan processing is essential for auxin homeostasis in Arabidopsis roots during alkaline response 的最新成果，研究将内质网和高尔基体中I型α-甘露糖苷酶 (MNSs) 介导的N-糖基化修饰与在响应碱性胁迫期间维持拟南芥根中的生长素稳态和运输联系起来，揭示了N-糖基化参与拟南芥碱胁迫应答的新机制。景杰生物为该研究提供了N-糖基化修饰定量分析技术支持。

内质网I型α-甘露糖苷酶 (MNS3) 和高尔基体I型α-甘露糖苷酶 (MNS1和MNS2) 负责剪切N-糖链末端的甘露糖残基，参与N-糖链的加工过程，它们在根系生长和胁迫响应中起关键作用。为了研究蛋白质N-糖基化在酸性或碱性胁迫中的潜在作用，研究者首先研究了外部pH改变对mns3、mns1 mns2 双突变和 mns1 mns2 mns3 三重突变株的影响，结果发现mns1 mns2 mns3突变体中的根系生长抑制在碱性条件下得到了部分修复，而阻断生长素运输的抑制剂处理抵消了这种碱性条件维持的根系生长。野生型植株在甘露糖苷酶抑制剂Kifunensine (Kif) 处理下也表现出相似的碱恢复表型，暗示MNS1-3介导的N-糖基化参与植物碱胁迫应答。

图1 碱性条件下部分挽救了由缺乏MNS1-3活性引起的短根表型

有研究表明，植物根系中的质子流速在维持根系生长和促进植物对包括碱性胁迫在内的多种胁迫的响应中起着至关重要的作用。为了研究碱性pH是否可能恢复mns1 mns2 mns3突变体的根系生长，研究采用非损伤微测技术 (NMT) 测量了净质子流速。研究发现，10日龄WT主根伸长区的质子外排，在正常条件下和碱性pH条件下没有显著差异；相比之下，mns1 mns2 mns3突变体在正常pH 6.0时，根尖伸长区出现了质子内流，在碱性pH 8.2时出现了质子外排，表明碱性处理诱导了质子流速由内向外的转换。这些结果证实了在mns1 mns2 mns3中，根尖的质子分泌可能在维持根系再碱性条件下生长中起到关键作用。

图2 碱性条件下，mns1 mns2 mns3突变体的根尖质子分泌恢复

为了进一步揭示mns1 mns2 mns3中碱性维持根系生长的分子机制，研究者运用了N-糖基化修饰组学分析对WT和mns1 mns2 mns3在pH 6.0和pH 8.2的培养基上生长的10天龄幼苗根系进行了测定，结合药理学处理以及生长素含量测定等研究表明：MNS1-3突变会到导致生长素内稳态相关糖蛋白具有异常的N-糖链，影响其蛋白稳定性、定位和功能；正常条件下(pH 6.0)，mns1 mns2 mns3突变体根细胞生长素水平极低，H+内流，根生长受到抑制；碱胁迫条件下(pH 8.2)，生长素内稳态相关糖蛋白N-糖基化水平降低，根细胞生长素水平部分恢复， H+外排，根生长得到维持。

图3碱性处理对mns1 mns2 mns3突变体生长素稳态的影响

综上所述，该研究通过对拟南芥I型α-甘露糖苷酶缺陷株系分析揭示了N-聚糖加工在植物碱胁迫响应中的作用，证实在拟南芥根系碱胁迫响应过程中，内质网和顺式高尔基体内MNS介导的N-聚糖加工与生长素稳态和运输的维持密切相关。研究将N-糖基化修饰、生长素内稳态以及碱胁迫应答联系起来，为碱胁迫应答分子机制的解析和耐碱作物品种的培育提供新思路。

图 4 碱性条件维持拟南芥mns1 mns2 mns3突变体根系生长的模型

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参考文献

1. L., and Strasser, R.2009. Class I α-mannosidases are required for N-glycan processing and root development in Arabidopsis thaliana. Plant Cell.

2. Liu, C., et al. 2018. Trimming of N-glycans by the Golgi-Localized α-1,2-mannosidases, MNS1 and MNS2, is crucial for maintaining RSW2 protein abundance during salt stress in Arabidopsis. Mol Plant.

3. Veit, C., et al. 2018. Processing of the terminal alpha-1,2-linked mannose residues from oligomannosidic N-glycans is critical for proper root growth. Front Plant Sci .

4. Tianyu Xia, et al. 2022. MNSs-mediated N-glycan processing is essential for auxin homeostasis in Arabidopsis roots during alkaline response. iScience.