王伟课题组及合作者报道酚酸类化感物质通过促进相变抑制翻译从而调控物种间竞争的新机制

2023年8月28日，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学生命科学学院、生命科学联合中心王伟课题组与其合作者，在《Nature Plants》以两倍长文篇幅发表题为“Phenolic acid-induced phase separation and translation inhibition mediate plant interspecific competition”的研究论文，报道了酚酸通过应激颗粒和蛋白相变来抑制翻译从而调控种间竞争的新机制。《Nature Plants》同期也刊登了对本研究的评述文章。

化感作用是植物通过根系分泌的多种化合物影响邻近植物生长发育的普遍现象^[1]。早在2300多年前植物学作为一门学科建立之初，亚里士多德的学生、“植物学之父”提奥弗拉斯特就观察到化感作用^[2]。抑制性的化感作用在作物与杂草、本土和入侵植物甚至是作物和其残留或腐殖的秸秆之间都广泛存在^[3-5]。我国每年产生超过9亿吨秸秆。秸秆腐殖过程中产生的大量的酚酸类化感物质对后一轮作物生长具有显著的抑制作用^[5]。由于酚酸类化感物质的结构多样性较高，多年来其受体也一直未被发现，植物中是否存在能够直接结合并识别多种酚酸物质的受体蛋白一直是化感领域中极具争议性的重大科学问题。

为了探究酚酸抑制植物生长的机理，作者首先发现酚酸可以促进poly(A)⁺RNA和蛋白在植物根部聚集形成无膜包裹的细胞器—应激颗粒(Stress Granules, SG)，并且抑制植物根部的整体翻译水平。SG是由未翻译的mRNA和蛋白质组成的生物大分子凝聚物，在胁迫条件下，通过抑制细胞的翻译水平来协调细胞中的能量分配，从而提高细胞的胁迫耐受性^[6]。作者提出酚酸主要是通过诱导SG的形成，抑制植物整体翻译水平，从而抑制植物生长的模型。

为了进一步探索酚酸是如何被感应并调控SG的形成，作者对拟南芥中与人类RNA结合蛋白 TIA1 同源的RBP47B蛋白进行分析发现，RBP47B蛋白的液-液相分离能力是驱动SG形成和响应酚酸的关键。此外，体外相分离浊度实验及微量热泳动等实验，表明酚酸可以通过结合RBP47B蛋白，降低其液液相分离阈值，最终促进其液液相分离从而形成应激颗。

作者通过对拟南芥野生型和rbp47abcc’四重突变体中SG的组分进行质谱鉴定分析，发现SG招募大量的调控翻译元件，其中包括依赖RBP47家族蛋白的核糖体大小亚基。随后的共定位和荧光漂白恢复实验表明这些核糖体亚基进入SG后，会降低SG的流动性，从而导致这些核糖体被进一步隔离在SG中，从而抑制翻译。最后, 针对rbp47abcc’四重突变体的表型实验证实了RBP47家族蛋白是响应酚酸抑制翻译和生长的关键信号因子。

在该研究中，作者结合基于正交化学的非典型氨基酸标记技术以及ELISA检测，开发出了BONCATE技术用于对植物细胞的整体翻译效率进行实时定量分析。相比于现有的SUnSET技术和多聚核糖体图谱方法，BONCATE技术具有细胞毒性小、通量高、特异性好、动态范围广等优势。

综上所述，这项研究揭示了酚酸通过RBP47B蛋白感知信号从而抑制种间生长的作用机理，提出了酚酸结合并促进RBP47B相变形成SG来抑制翻译和植物生长的模型。该研究一方面揭示了SA通过调控翻译抑制植物生长的新机制，另一方面为今后在植物蛋白相分离和SG领域的相关研究提供了理论基础和技术依据。目前，除了具有化感作用的作物可以分泌酚酸，农作物秸秆在发酵后的代谢物质中也含有大量酚酸，因此该研究也将为农业生产中农作物秸秆还田应用提供指导。

模式图：酚酸通过RBP47B蛋白感知信号从而抑制植物生长

北京大学、生命科学联合中心王伟研究员和首都师范大学周冕教授为论文共同通讯作者。北京大学海外交流引进博士后谢周丽、博士后赵帅和李莹为共同第一作者。该研究得到蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、国家自然科学基金、北京大学生命科学学院、生命科学联合中心、海外交流引进博士后项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01499-6

参考文献

1.  Rice, E.L., Biological control of weeds and plant diseases: advances in applied allelopathy. 1995: University of Oklahoma Press.

2. Culpeper, N., Culpeper's complete herbal & english physician. 2006: Applewood Books.

3. Bais, H.P., R. Vepachedu, S. Gilroy, R.M. Callaway, and J.M. Vivanco, Allelopathy and exotic plant invasion: from molecules and genes to species interactions. Science, 2003. 301(5638): p. 1377-80.

4. Van Dam, N.M. and H.J. Bouwmeester, Metabolomics in the rhizosphere: tapping into belowground chemical communication. Trends in Plant Science, 2016. 21(3): p. 256-265.

5. Li, J.Y., S.X. Lin, Q. Zhang, L. Li, W.W. Hu, and H.B. He, Phenolic acids and terpenoids in the soils of different weed-suppressive circles of allelopathic rice. Archives of Agronomy and Soil Science, 2020. 66(2): p. 266-278.

6. Protter, D.S. and R. Parker, Principles and Properties of Stress Granules. Trends Cell Biol, 2016. 26(9): p. 668-79.