拟南芥铜结合肽POLARIS通过与ETR1互作负调控乙烯信号通路的分子机制

本研究揭示了拟南芥36氨基酸肽POLARIS(PLS)作为新型铜结合肽，通过特异性结合乙烯受体ETR1的跨膜结构域并依赖Cu(I)增强互作，从而负调控乙烯信号通路。该发现阐明了植物激素信号转导中金属离子调控受体活性的新范式，为理解乙烯-生长素交叉调控提供了分子基础。

　　

在植物生长发育和环境适应过程中，乙烯作为一种关键气体激素发挥着核心调控作用。经典的乙烯信号通路始于内质网定位的受体家族（如ETR1），这些受体通过铜离子（Cu(I)）介导的构象变化感知乙烯分子。然而，受体活性如何被精确调控、铜离子如何参与信号转导等关键问题尚未完全阐明。尤其令人困惑的是，拟南芥突变体polaris(pls)表现出典型的乙烯超敏感表型，但其编码的36氨基酸小肽PLS的功能机制长期未被破解。

英国杜伦大学联合德国杜塞尔多夫大学的研究团队通过多学科交叉研究，首次揭示了PLS作为铜结合肽通过物理互作调控ETR1受体活性的分子机制。研究发现发表在《Plant Communications》的这项成果，不仅阐明了植物激素信号转导中金属离子的调控作用，更发现了小肽介导的受体调控新范式。

研究团队运用了以下关键技术：1）合成生物学策略构建PLS截短肽与荧光标记融合蛋白；2）共聚焦显微成像结合氧化还原敏感型roGFP2定位技术；3）酵母双杂交与免疫共沉淀验证蛋白互作；4）紫外-可见光谱与荧光光谱分析铜结合特性；5）显微热泳动技术（MST）定量测定结合常数。

PLS肽是乙烯响应的负调控因子
RNA-seq分析显示pls突变体中307个乙烯响应基因显著上调，包括ERF1、EBF2等核心调控因子。PLS过表达则能部分抑制ctr1突变体表型，表明其作用于CTR1上游的受体层面。

结构-功能保守性分析
通过合成阿拉伯芥与荠菜（Camelina sativa）PLS肽段发现，含双半胱氨酸（C6/C17）的N端22肽（N1）即具全长功能，而单半胱氨酸的截短肽（N2/C1/C2）均失活，揭示CX₁₀C结构域对功能的关键作用。

亚细胞定位特征
PLS:GFP融合蛋白定位于内质网（ER）胞质侧，与ER-Tracker及RFP:HDEL共定位，并通过roGFP2比值分析确认其主要分布于ER胞质面，这与ETR1的ER膜定位存在空间交集。

铜依赖的ETR1互作机制
免疫共沉淀显示PLS与ETR1跨膜结构域（TMD）直接结合，且0.5μM CuSO₄使结合量提升3倍。竞争实验证实25 nM合成PLS可阻断80%的PLS:GFP-ETR1结合，证明互作特异性。MST测定结合常数K_D=3.79(±1.5)×10¹⁹ M^-2。

高亲和力铜结合特性
光谱分析显示PLS以2:1（PLS₂:Cu(I)）化学计量比结合铜，β₂亲和力达3.79×10¹⁹ M^-2。突变实验证实C6S/C17S双突变体完全丧失铜结合与根长补救功能。

这项研究建立了PLS-ETR1互作的调控模型：在富含生长素的根尖等组织中，高表达的PLS通过铜依赖方式结合ETR1，可能通过阻断乙烯结合或稳定受体活性构象，维持CTR1的抑制作用，从而拮抗乙烯响应。该机制解释了为何pls突变体表现出类似ran1（铜转运缺陷）的乙烯超敏感表型，但又不通过经典铜伴侣途径起作用。

研究的重要意义在于：1）首次将小肽-受体互作与金属离子调控相结合，拓展了植物激素信号转导的理论框架；2）揭示了生长素通过调控PLS表达间接影响乙烯响应的交叉调控节点；3）为设计作物株型改良策略提供了新靶点，例如通过调控PLS表达平衡根系发育与环境适应性。这项工作为理解植物中广泛存在的小肽调控网络提供了范式参考。