清華大學(xué)生命學(xué)院方曉峰團(tuán)隊(duì)合作發(fā)現(xiàn)新的植物溫度感受器

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著全球變暖進(jìn)程加劇，高溫脅迫成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，解析植物感知和響應(yīng)高溫脅迫的機(jī)制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)生物大分子的相分離是重要的溫度感知機(jī)制，然而溫度感知的分子基礎(chǔ)尚不清楚。應(yīng)激顆粒(stress granules)是細(xì)胞應(yīng)對(duì)各種脅迫時(shí)產(chǎn)生的保守的凝聚體。在植物中，高溫脅迫誘導(dǎo)應(yīng)激顆粒形成，對(duì)植物適應(yīng)高溫脅迫至關(guān)重要。
 

　　5月14日，清華大學(xué)生命學(xué)院方曉峰團(tuán)隊(duì)與合作者在《細(xì)胞研究》(Cell Research)在線發(fā)表了題為“擬南芥溫度感受器FUST1通過相分離起始高溫下的應(yīng)激顆粒形成”(A thermosensor FUST1 primes heat-induced stress granule formation via biomolecular condensation in Arabidopsis)的研究論文，首次揭示了植物細(xì)胞感知高溫信號(hào)并起始應(yīng)激顆粒組裝的機(jī)制。
 

　　該研究鑒定到一個(gè)能夠在高溫下發(fā)生相分離的未知功能蛋白并命名為FUST1。FUST1在正常生長(zhǎng)溫度下均勻分散在細(xì)胞質(zhì)中，當(dāng)植物細(xì)胞受到高溫刺激，F(xiàn)UST1迅速且可逆地形成凝聚體(圖1A)。體外重組的FUST1蛋白可以發(fā)生相分離，且隨著溫度升高相分離能力提高(圖1B)，表明FUST1可以通過相分離感知溫度變化。研究人員進(jìn)一步利用遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)和計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬等多學(xué)科交叉手段證明FUST1通過其類朊病毒域(PrLD)感知高溫，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域中編碼一個(gè)溫度開關(guān)，隨著溫度升高經(jīng)歷“鎖定到開放”的構(gòu)象變化，控制FUST1的分子間相互作用(圖1C、D)。
 

　　圖1.FUST1直接感受高溫發(fā)生相分離。(A)植物細(xì)胞受到高溫刺激后FUST1在細(xì)胞質(zhì)中迅速發(fā)生相分離形成凝聚體；(B)FUST1體外相分離隨著溫度升高而增強(qiáng)；(C)全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬示意圖；(D)FUST1的PrLD區(qū)域編碼一個(gè)溫度開關(guān)

 

　　進(jìn)一步，研究人員發(fā)現(xiàn)FUST1凝聚體可招募應(yīng)激顆粒的經(jīng)典組分，但FUST1凝聚體的形成早于應(yīng)激顆粒的組裝。研究人員利用雙熒光標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UST1凝聚體形成之后，應(yīng)激顆粒組分在FUST1凝聚體中開始聚集。敲除FUST1基因，導(dǎo)致應(yīng)激顆粒的形成滯后，表明FUST1對(duì)于應(yīng)激顆粒的組裝至關(guān)重要，敲除FUST1基因會(huì)減弱植物的耐熱性。此外，F(xiàn)UST1同源蛋白在陸生植物中均存在，介導(dǎo)熱響應(yīng)的PrLD序列也非常保守。
 

　　綜上，該研究揭示了FUST1作為溫度感受器，通過其相分離啟動(dòng)應(yīng)激顆粒組裝(圖2)，為溫度感受和應(yīng)激顆粒組裝機(jī)制提供新了的見解。FUST1及其同源蛋白作為熱適應(yīng)性分子靶點(diǎn)，在未來作物耐熱性改良中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
 

　　值得一提的是，F(xiàn)UST1蛋白的名字是從我國(guó)古代神話山海經(jīng)中記載的扶桑樹(FUSang Tree)來的。《山海經(jīng)·海外東經(jīng)》：“湯谷上有扶桑，十日所浴，居水中。九日居下枝，一日居上枝。”其中扶桑樹象征著FUST1蛋白高度無序且作為支架的性質(zhì)，其中的太陽象征著熱應(yīng)激顆粒的核。
 

圖2.FUST1感知和響應(yīng)溫度的工作模型
 

　　清華大學(xué)生命學(xué)院副教授方曉峰和深圳灣實(shí)驗(yàn)室研究員黃愷為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后耿攀、2016級(jí)博士生李昌軒(已畢業(yè))、深圳灣實(shí)驗(yàn)室助理研究員全學(xué)波和生命學(xué)院2022級(jí)博士生彭佳璇為論文共同第一作者。福建農(nóng)林大學(xué)海峽研究院教授熊延、深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院教授劉宏濤、清華大學(xué)生命學(xué)院教授戚益軍和西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員楊培國(guó)等對(duì)該工作作出了重要貢獻(xiàn)。
 

　　研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳灣實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目、深圳灣實(shí)驗(yàn)室開放基金和廣東省“珠江人才計(jì)劃”等的支持。