组蛋白去乙酰化酶HDA9通过调控光受体phot1乙酰化动态精细调节植物向光性反应

本研究揭示了组蛋白去乙酰化酶HDA9通过调控蓝光受体phototropin 1(phot1)的乙酰化修饰，影响其磷酸化状态和激酶活性，从而精细调控植物向光性反应的新机制。研究人员发现phot1的K636位点乙酰化是HDA9调控的关键靶点，该发现为理解植物光信号转导中蛋白质翻译后修饰的交叉调控提供了新视角。

　　

在植物生长发育过程中，向光性(phototropism)是植物适应环境、优化光合作用效率的重要机制。蓝光受体phototropin 1(phot1)作为主要的向光性受体，其活性的精确调控对植物生长至关重要。虽然phot1介导的向光性信号通路下游组分已有较多研究，但phot1活性如何被上游调控的分子机制仍不清楚。特别是，蛋白质翻译后修饰如乙酰化(acetylation)和磷酸化(phosphorylation)在phot1功能调控中的作用尚待阐明。

中国科学院华南植物园的研究团队在《Plant Communications》发表的研究中，揭示了组蛋白去乙酰化酶HDA9通过调控phot1乙酰化动态来精细调节植物向光性反应的新机制。研究发现phot1存在多个乙酰化修饰位点，其中K636位点的乙酰化状态对phot1的活性和功能具有决定性影响。通过遗传学、生物化学和细胞生物学等多学科方法，研究人员阐明了HDA9-phot1互作在光信号响应中的关键作用，为理解植物光信号转导中蛋白质翻译后修饰的交叉调控提供了新视角。

研究采用了多种关键技术方法：通过乙酰化蛋白质组学鉴定phot1的乙酰化位点；利用位点特异性突变和遗传互补实验分析乙酰化位点的功能；采用双分子荧光互补(BiFC)和荧光素酶互补成像(LCI)技术验证蛋白质相互作用；通过免疫共沉淀(Co-IP)和免疫印迹分析蛋白质修饰状态；利用激酶活性检测系统评估phot1的酶活性变化。

"Acetylation of phot1 affects its role in phototropic response"部分研究发现，phot1在拟南芥幼苗中存在K129、K404、K603和K636四个乙酰化位点。通过将这些位点突变为模拟乙酰化(Q)或去乙酰化(R)状态，发现K-Q突变导致phot1失去向光性功能，而K-R突变则保持正常功能。这表明乙酰化修饰对phot1功能具有重要调控作用。

"Mutation of acetylation site of phot1 disrupts its light-induced phosphorylation"部分进一步发现，K-Q突变抑制了phot1的光诱导磷酸化，而K-R突变不影响。特别是K636Q突变显著降低了phot1的磷酸化水平，同时增加了其乙酰化水平，表明K636是调控phot1活性的关键位点。

"HDA9 positively regulates phototropism and light-dependent phot1 phosphorylation"部分通过筛选组蛋白去乙酰化酶(HDAC)突变体，发现hda9突变体表现出与phot1,2双突变体相似的向光性缺陷。HDA9过表达增加了phot1的磷酸化水平，而hda9突变则降低了phot1磷酸化，表明HDA9正向调控phot1的活性。

"HDA9 deacetylates and regulates kinase activity of phot1"部分通过BiFC、LCI和Co-IP等实验证实HDA9与phot1在体内存在相互作用，且这种相互作用受光照条件调节。重要的是，K636Q突变破坏了HDA9与phot1的相互作用，导致phot1乙酰化水平升高。激酶活性分析显示HDA9通过调控phot1乙酰化状态影响其激酶活性。

"HDA9 positively regulates phototropic growth via phot1"部分的遗传分析表明，HDA9的功能依赖于phot1，因为HDA9过表达无法挽救phot1,2突变体的表型。这证实了HDA9通过phot1调控向光性的遗传关系。

"HDA9 regulates phot1 with the key acetylated lysine in a conserved light-signaling pathway"部分发现K636位点在多种植物phot1中高度保守，且该位点的功能重要性在不同物种中得到验证，表明这一调控机制在植物中具有广泛保守性。

研究结论表明，HDA9通过识别和去乙酰化phot1的K636位点，维持phot1乙酰化稳态，从而调控其磷酸化状态和激酶活性。在黑暗条件下，HDA9与膜定位的phot1相互作用，保持phot1的低乙酰化状态；光照后，HDA9与phot1的相互作用减弱，phot1乙酰化水平升高，促进其磷酸化激活。这一发现揭示了蛋白质乙酰化-磷酸化交叉调控在植物光信号转导中的新机制，为理解植物环境适应性的分子基础提供了重要线索。

该研究的创新性在于首次发现组蛋白去乙酰化酶HDA9可以直接去乙酰化非组蛋白底物phot1，并阐明了乙酰化修饰在phot1功能调控中的关键作用。研究不仅拓展了对植物向光性分子机制的认识，也为作物株型改良和适应性育种提供了潜在靶点。此外，phot1 K636位点的保守性暗示这一调控机制可能在多种植物中普遍存在，具有重要的理论和应用价值。