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植物细胞壁损伤会威胁细胞生存，为探究植物如何维持液泡完整性，研究人员开展了 “ATG8ylation of vacuolar membrane protects plants against cell wall damage” 的研究。结果发现细胞壁损伤会触发液泡膜 ATG8ylation 修饰，该修饰对维持液泡完整性和细胞存活至关重要。这揭示了植物应对细胞壁损伤的新机制。
在植物的微观世界里，细胞壁就像坚固的城墙，保护着细胞并维持其形态和功能。然而，当这道城墙受到损伤时，细胞内部会发生一系列变化，甚至可能走向死亡。此前，虽然植物细胞壁完整性（CWI）研究备受关注，但细胞壁损伤对细胞内细胞器的影响，以及这些细胞器如何维持 CWI 却鲜为人知。同时，液泡作为植物细胞的重要组成部分，占细胞体积的 80%，它在维持细胞代谢、生长和内部膨压方面起着关键作用，可一旦液泡内的物质泄漏到细胞质中，就会导致细胞死亡。因此，探究植物在细胞壁损伤时如何保护液泡完整性，成为了亟待解决的科学问题。
为了解开这个谜团，来自奥地利科学院格雷戈尔?孟德尔研究所（Gregor Mendel Institute）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Plants》上，为我们揭示了植物应对细胞壁损伤的重要机制。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过共聚焦显微镜（Confocal microscopy）观察不同处理条件下荧光标记蛋白的定位，以此判断 ATG8 是否结合到液泡膜上；二是利用基于抗坏血酸过氧化物酶 2（APEX2）的电子显微镜技术，在超微结构水平研究液泡膜 ATG8ylation；三是进行遗传分析，构建各种突变体来研究相关基因在液泡膜 ATG8ylation 过程中的作用；四是采用荧光寿命成像显微镜（FLIM）分析细胞和液泡的力学变化。
研究结果如下：
- 细胞壁损伤触发液泡膜的 ATG8ylation 修饰：研究人员通过共聚焦显微镜分析发现，抑制纤维素生物合成或模拟真菌感染处理后，mCherry - ATG8A 会重新定位到液泡膜上，且所有 9 种拟南芥 GFP 标记的 ATG8 亚型在处理后都有类似现象，在早期分化的陆地植物地钱中也得到了验证，这表明细胞壁损伤诱导的液泡膜 ATG8ylation 在陆地植物中是保守的。同时，基于 APEX2 的电子显微镜也显示，细胞壁损伤时 ATG8A 会重新定位到液泡膜。此外，不能进行脂化的末端甘氨酸突变体 ATG8A - G117A 在处理后无法重新定位到液泡膜，说明 ATG8 是通过脂质修饰结合到液泡膜上的。
- 液泡膜 ATG8ylation 的遗传基础：研究人员构建了在核心 ATG 蛋白突变背景下表达 GFP - ATG8A 的稳定转基因拟南芥株系，发现液泡膜 ATG8ylation 需要 ATG8 结合机制，但独立于启动自噬体形成的 ATG1 激酶复合体。其中，ATG16 的 WD40 结构域对液泡膜 ATG8ylation 至关重要，研究人员利用 ΔCASM（ATG161 - 295）突变体进一步证实了这一点。此外，研究还发现细胞壁损伤不会使所有自噬过程都重新定向到液泡，而是触发液泡膜的选择性 ATG8ylation，且 FERONIA 信号通路不参与调节液泡膜 ATG8ylation。
- 液泡膜 ATG8ylation 的作用：研究人员通过实验表明，细胞壁损伤会削弱细胞壁对液泡膨压的平衡作用，威胁液泡完整性。降低膨压的山梨醇处理会抑制细胞壁损伤诱导的液泡膜 ATG8ylation。通过对细胞和液泡的力学分析发现，细胞壁损伤会导致细胞和液泡的损伤，而缺乏液泡膜 ATG8ylation 的 ΔCASM 突变体中，细胞质粘度受影响更严重，细胞死亡加剧，这表明液泡膜 ATG8ylation 对维持液泡完整性和细胞存活至关重要。
- 液泡膜 ATG8ylation 的分子基础：研究人员通过邻近标记蛋白质组学技术发现，参与液泡离子稳态、囊泡运输、细胞壁稳态和细胞表面信号传导的几种特定蛋白质与液泡膜 ATG8ylation 有关。其中，TBC/RabGAP1 蛋白在细胞壁损伤时会被招募到液泡膜上。同时，研究还发现只有磷脂酰丝氨酸（PS）生物传感器在细胞壁损伤后会改变定位，且 V - ATPase 亚基 VHA - a3 和 VHA - d 与液泡膜 ATG8ylation 有关。离子载体莫能菌素（monensin）处理可模拟细胞壁损伤，诱导液泡膜 ATG8ylation，且这种现象在拟南芥和地钱中均存在。此外，研究人员利用 Legionella 效应蛋白 SidK 研究发现，V - ATPase 在液泡膜 ATG8ylation 中起关键作用。
研究结论表明，该研究定义了一种保守的液泡质量控制（VQC）机制，即细胞壁损伤会触发依赖膨压的液泡膜 ATG8ylation 修饰，这一修饰对维持液泡完整性和细胞存活至关重要。在讨论部分，研究人员指出，虽然发现了这一重要机制，但仍有许多问题有待进一步研究。例如，植物细胞如何感知液泡 pH 变化，CWI 与 VQC 之间的分子联系是什么等。该研究为深入理解植物细胞应对细胞壁损伤的机制提供了重要依据，也为提高植物的抗逆性和适应性奠定了理论基础，有助于未来开发新的策略来保护植物免受环境胁迫的影响。
