铜连接：植物中运输、感知与系统信号传导的协同调控

《Quantitative Plant Biology》：Copper Connections: Coordinating Transport, Sensing, and Systemic Signaling in Plants

本综述聚焦植物如何应对铜(Cu)这一必需但有毒的微量营养素所面临的挑战。研究人员系统梳理了植物铜稳态的调控机制，包括Cu的吸收、长距离运输、细胞内 trafficking 以及新兴的Cu系统信号传导作用。文章揭示了以SPL7为核心的转录调控网络和以OPT3为媒介的根-冠信号对话，阐明了植物如何协调Cu的获取与经济利用，并探讨了禾本科与双子叶植物在Cu吸收策略上的差异。该研究为理解植物营养信号整合及作物矿质营养改良提供了重要理论依据。

　　

在自然界中，铜(Cu)是一种让植物又爱又恨的元素。它以其独特的氧化还原特性（在Cu²⁺和Cu⁺之间循环），成为植物体内多种关键酶的辅因子，从光合作用、呼吸作用到抗氧化防御，无处不在。然而，这种能轻易得失电子的特性也是一把双刃剑，过量的铜会引发严重的氧化应激，破坏细胞结构。更复杂的是，铜在土壤中的生物有效性受到pH值、有机质含量、氧化还原条件等多种因素的严格制约，植物常常面临“铜饥饿”的困境。为了在这场精妙的平衡术中生存，植物进化出了一套极其复杂的系统来精准调控铜的“进出口”、内部运输和库存管理。近年来，科学家们进一步发现，铜不仅仅是静态的代谢助手，其生物可利用的“松散”形态（labile Cu）还能作为一种动态的信号分子，参与到植物的发育和逆境响应过程中。这篇发表在《Quantitative Plant Biology》上的综述文章《Copper Connections: Coordinating Transport, Sensing, and Systemic Signaling in Plants》由康奈尔大学的Olena K. Vatamaniuk团队撰写，系统梳理了当前对植物铜稳态调控网络的认识，特别是揭示了铜作为一种长距离系统信号分子的新兴角色。

为了深入探究植物铜稳态的调控机制，研究人员综合运用了分子生物学、遗传学、生物化学和生理学等多种研究策略。这些方法包括利用模式植物（如拟南芥、水稻、短柄草）的突变体进行表型分析和基因功能鉴定；通过异源表达系统（如酵母、非洲爪蟾卵母细胞）验证转运蛋白的功能和底物特异性；采用转录组学（如RNA-seq, ChIP-seq）技术鉴定铜响应基因和转录因子（如SPL7）的直接靶点；以及使用嫁接技术和微量营养元素测定等手段研究长距离信号传导。

2. 植物铜稳态概述

2.1. 双子叶植物和非禾本科单子叶植物中的铜吸收与长距离运输

在拟南芥等双子叶植物中，根系对铜的吸收被认为是一个主动还原的过程。土壤中的Cu(II)首先被质膜上的铁还原氧化酶家族成员（如AtFRO4和AtFRO5）还原为Cu(I)，随后主要通过高亲和力的铜转运蛋白（COPT）家族成员（如AtCOPT1和AtCOPT2）将Cu(I)转运进入根表皮细胞。此外，ZIP家族成员AtZIP2也在铜缺乏时被诱导表达，可能介导了Cu(II)的直接吸收。铜在植物体内的长途跋涉涉及多个环节：通过PIB型ATP酶（如AtHMA5）从根木质部薄壁细胞泵入木质部导管，随蒸腾流向上运输；在茎部，铜可能被AtCOPT6等转运蛋白进行侧向运输；而铜从源到库的再分配则主要依靠韧皮部。在这个过程中，一种名为尼古酰胺（Nicotianamine, NA）的小分子螯合剂扮演了关键角色。NA不仅能与铜形成稳定复合物（Cu-NA），辅助其在木质部和韧皮部中的运输，其分泌还受到NAET1/2等转运蛋白的调控。Yellow Stripe-Like (YSL) 转运蛋白（如AtYSL2, AtYSL1, AtYSL3）则负责吸收和运输这些金属-NA复合物。特别值得注意的是，韧皮部装载转运蛋白AtOPT3被证明可以同时转运游离的Cu²⁺和Fe²⁺离子，并与NAET1/2协同作用，共同确保铜和铁向发育中的组织和种子高效输送。除了转运蛋白，金属硫蛋白（MTs）、谷胱甘肽（GSH）和铜伴侣蛋白（如CCH）也构成了铜运输和缓冲网络的重要组成部分。

2.2. 禾本科植物中的铜吸收与长距离运输

禾本科植物的铜吸收机制更为多样且尚未完全明晰，目前存在几种可能并存的模型。其一，类似于双子叶植物，Cu(II)在根表被还原后以Cu(I)形式吸收，但负责此过程的还原酶尚待确认，且已发现的COPT家族成员（如水稻中的OsCOPT1/5/7，短柄草中的BdCOPT3/4）可能介导的是低亲和力吸收。其二，根系可能直接吸收Cu(II)，暗示存在未知的Cu(II)转运蛋白。有趣的是，玉米中负责铁-植物铁载体吸收的ZmYS1在异源系统中也能转运Cu(II)。其三，铜可能以螯合物的形式被吸收，例如与植物自身分泌的植物铁载体（PSs）或NA形成的复合物，并通过YS1/YSL家族转运蛋白（如ZmYS1）进入细胞。在长距离运输方面，水稻中的OsHMA5、OsHMA9和OsCOPT7被推测参与将铜装载入根木质部。而OsYSL16及其在短柄草中的同源物BdYSL3则对于铜从成熟叶片向穗部等库器官的再分配至关重要，其功能缺失会导致籽粒铜含量、籽粒大小和蛋白质含量下降，直接将铜运输与重要农艺性状联系起来。

2.3. 细胞内铜运输与分选

细胞质中游离铜离子的浓度被严格控制在极低水平（飞摩尔至仄摩尔范围），以确保安全。这一目标的实现依赖于一套精密的铜伴侣蛋白系统。拟南芥基因组编码至少9种铜伴侣蛋白，它们通过保守的金属结合域（如MXXCXC motif）将铜精准递送到不同的细胞器或靶酶。例如，CCS负责将铜递送给胞质、叶绿体和过氧化物酶体中的铜锌超氧化物歧化酶（CSD1, CSD2, CSD3）；ATX1则参与向位于内质网的铜转运蛋白RAN1（又称AtHMA7）提供铜，后者对乙烯受体ETR1的正确功能至关重要。叶绿体是光合组织中主要的铜库。铜通过质体铜伴侣蛋白PCH1传递给位于叶绿体内膜上的PAA1/HMA6，从而进入叶绿体基质，再由位于类囊体膜上的PAA2/HMA8将其运入类囊体腔，最终插入质体蓝素（Plastocyanin）等铜蛋白中。线粒体是另一个重要的铜需求场所，铜被用于细胞色素c氧化酶（COX）的组装，该过程涉及COX11、COX17和HCC1等伴侣蛋白，但铜如何进入线粒体的具体机制在植物中仍不清楚。液泡作为动态存储库，在铜过量时负责 sequestration（隔离），并在缺乏时通过COPT5等转运蛋白释放铜，以缓冲胞质铜浓度并实现再动员。此外，细胞核和过氧化物酶体中也存在功能重要的铜池，新发现的CCP伴侣蛋白甚至定位于细胞核，可能与植物免疫信号有关。

3. 铜稳态的调控

植物通过两种主要策略维持铜稳态：铜获取的调控和铜经济/金属转换机制。在拟南芥中，这一过程的核心是保守的转录因子SPL7及其下游靶标bHLH转录因子CITF1。在铜缺乏时，SPL7被激活并进入细胞核，与CITF1共同上调根系高亲和力铜吸收系统（如COPT2, FRO4/5）相关基因的表达。同时，SPL7主导“铜经济”策略：通过上调一系列microRNAs（如miR398, miR397, miR408等）的表达，来降解编码大量但非必需铜蛋白（如CSD1/2, 漆酶等）的mRNA。与此同时，SPL7直接上调铁依赖的同工酶（如FSD1）的表达，从而用铁来替代铜执行某些功能，优先将有限的铜资源分配给光合作用等生命活动最关键的环节。研究表明，SPL7本身的活性受到翻译后调控，其C末端的跨膜结构域（TMD）在铜充足时将其锚定在内质网上，抑制其活性；铜缺乏则引发其蛋白酶切，释放出具有转录活性的N端片段。禾本科植物（如水稻）中也存在部分保守的铜经济策略，并且OsSPL9被证实是SPL7的功能同源物，直接调控多个铜转运蛋白和Cu-miRNAs的表达，协调铜的吸收、运输和再利用。

4. 铜感知与信号传导机制

4.1. 铜有效性的局部感知

对铜感知的理解最初源于对细菌和莱茵衣藻的研究。在衣藻中，铜响应调节因子Crr1（SPL7的同源物）通过其SBP结构域以锌依赖的方式识别启动子中的GTAC核心 motif（铜响应元件，CuRE）。推测在铜充足时，铜可能取代SBP结构域中的锌，或结合其C端的半胱氨酸富集区，从而改变Crr1构象，使其脱离DNA。虽然AtSPL7是否以完全相同的方式直接感知铜尚待完全证实，但镉(Cd)等金属离子可以拮抗铜并激活SPL7靶基因的现象，支持了SPL7可能作为金属传感器的观点。

4.2. 铜缺乏的系统信号传导

除了局部调控，植物还能整合全身的铜状态 through systemic signaling（系统信号传导）。最有力的证据来自对AtOPT3的研究。opt3突变体不仅表现出韧皮部铜运输缺陷和地上部铜积累，其根系在铜充足条件下也持续表现出铜缺乏标记基因的高表达。通过嫁接实验和地上部韧皮部饲喂铜的实验发现，当野生型或opt3突变体的地上部获得铜后，根系的铜缺乏症状得到缓解。这表明，由AtOPT3介导的、在韧皮部中运输的铜（或其触发的信号）能够作为系统信号，从地上部传递到根系，反向调节根系的铜吸收活性，实现全株铜稳态的精细调控。有趣的是，韧皮部饲喂铜也能缓解opt3突变体根系的铁缺乏症状，反之亦然，凸显了铜和铁稳态在长距离信号传导层面存在复杂的交叉对话。

5. 未来展望

尽管在理解非禾本科植物的铜吸收策略方面取得了显著进展，但禾本科作物的相关机制仍不完全清楚。多种可能并存的铜吸收途径、负责线粒体等细胞器铜进出的转运蛋白、精确的铜感知机制、铜信号传导的分子基础以及与其他矿质营养（尤其是铁）的互作网络，都是未来研究的重要方向。特别是YSL转运蛋白（如BdYSL3）在影响籽粒产量和品质方面的作用，为通过调控铜营养来改良作物性状展示了广阔前景。继续探索这些通路，对于理解植物如何在波动环境中优化铜分配、提高作物养分利用效率和逆境适应性至关重要。