JAR | 华中农业大学赵毓课题组揭示ROS和蛋白乙酰化修饰在水稻冠根发育中的互作机制

景杰生物 | 报道

活性氧 (ROS) 作为信号分子，能够调控植物的生长、向地性反应以及应对环境刺激等。乙酰化修饰是细胞中主要的蛋白质翻译后修饰，参与细胞的新陈代谢、生物和非生物胁迫以及器官的形态建成等过程。已有研究表明在植物应对环境胁迫和生长发育过程中产生的ROS可以抑制去乙酰化酶的活性，从而改变蛋白质的乙酰化修饰状态。冠根作为水稻根系的主要组成成分，其发育过程中产生的ROS是否会影响冠根发育相关蛋白质的乙酰化修饰还不是特别清楚。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室赵毓教授和周道绣教授课题组在国际期刊Journal of Advanced Research (IF=12.823) 上在线发表了题为“ROS-stimulated Protein Lysine Acetylation Is Required for Crown Root Development in Rice”的研究论文，揭示了水稻冠根发育特异转录因子WOX11介导的ROS对蛋白赖氨酸乙酰化修饰在水稻根发育过程中的调控机制。景杰生物为该研究提供了4D蛋白质组学及乙酰化修饰组学定量分析技术及乙酰化抗体。

‍该研究中，作者首先对本课题组之前一直研究的正向调控水稻冠根生长发育的转录因子WOX11[1-4]突变体根尖ROS含量进行测定，结果发现该基因缺失后根尖分生组织中的ROS含量显著下降。为了探究WOX11对细胞中ROS水平的调控机制，作者对该突变体材料的根尖分生组织进行了定量蛋白组并结合之前的转录组[4]进行分析，结果发现wox11根尖分生组织中参与ROS代谢的过氧化物酶 (PRXs) 基因的转录水平和蛋白水平显著下降，进一步通过生化和遗传实验证实了WOX11直接调控PRXs基因的表达进而调控水稻冠根中ROS的水平。

图1 WOX11参与冠根生长的ROS水平

为了进一步探究水稻冠根发育中ROS是否参与调控蛋白赖氨酸乙酰化修饰，作者基于质谱对野生型 (WT)、wox11、WT-KI (利用ROS清除剂KI处理后的WT，模拟wox11中ROS水平) 和wox11-H2O2 (利用H2O2处理后的wox11，模拟WT中ROS水平) 根尖进行了定量蛋白乙酰化组分析。结果发现wox11根尖中参与代谢的蛋白乙酰化修饰水平降低；当体外施加H2O2，突变体根尖ROS水平恢复的同时，分生组织中蛋白乙酰化修饰水平也提高了且与野生型类似；当用KI处理WT后，根尖低的ROS水平也导致蛋白乙酰化修饰水平显著下调，与wox11根尖中的乙酰化修饰水平相近。这些研究结果表明在根尖分生组织中ROS可以正向调控蛋白的乙酰化修饰。后续系列生化实验揭示了水稻冠根中的ROS调控了组蛋白去乙酰化酶 (HDACs) 的氧化还原修饰状态，从而改变了其生物活性，最终导致了蛋白乙酰化修饰水平的改变。

图2 降低的 ROS 含量导致wox11冠根中的低 Kac

综上所述，该研究首次探究了水稻冠根发育特异转录因子WOX11介导的ROS对蛋白赖氨酸乙酰化修饰的调控机制，拓展了人们对于细胞中ROS信号功能的认识，揭示了植物细胞中氧化还原调控的复杂性，对进一步解析ROS和蛋白质乙酰化在协调植物生长与环境适应方面的作用机制提供了证据。

图3 水稻冠根发育中ROS和蛋白乙酰化修饰的调控机制

本研究得到国家自然科学基金面上项目和重点项目的支持，华中农业大学生命科学技术学院、湖北省洪山实验室和作物遗传改良全国重点实验室徐秋涛博士和博士研究生汪奕颉为论文共同第一作者，赵毓教授为文章通讯作者，周道绣教授也参与本研究工作。

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参考文献

1. Zhao, Y., et al. 2015. The Interaction between Rice ERF3 and WOX11 Promotes Crown Root Development by Regulating Gene Expression Involved in Cytokinin Signaling. Plant Cell.

2. Zhao, Y., et al. 2009. The WUSCHEL-related homeobox gene WOX11 is required to activate shoot-borne crown root development in rice. Plant Cell .

3. Zhou, S., et al. 2017. Rice Homeodomain Protein. WOX11 Recruits a Histone Acetyltransferase Complex to Establish Programs of Cell Proliferation of Crown Root Meristem. Plant Cell.

4. Jiang W, et al. 2017. Transcriptional regulatory network of WOX11 involved in the control of crown root development, cytokinin signals, and redox in rice. Journal of Experimental Botany.

5. Qiutao Xu, et al. 2022. ROS-stimulated Protein Lysine Acetylation Is Required for Crown Root Development in Rice. Journal of Advanced Research.

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