综述：植物自噬的转录调控、表观遗传调控和翻译后调控

《Journal of Genetics and Genomics》：Transcriptional, epigenetic, and post-translational regulation of plant autophagy

自噬是植物应对环境压力的重要机制，通过转录、表观遗传及翻译后修饰多层次调控ATG基因表达，形成动态调节网络以维持细胞稳态。

　　

姚王|刘超颖|陈亮|郭思海|史晓|华琪

中山大学深圳校区农业与生物技术学院，中国广东省深圳市518107

摘要

自噬是真核生物中高度保守的细胞内回收过程，它将细胞成分输送到溶酶体或液泡中进行降解，从而维持细胞内稳态。作为质量控制系统，自噬在植物生长、发育以及适应环境挑战中起着关键作用。在应激条件下，自噬的调控涉及多层次机制，包括转录、表观遗传和翻译后调控。来自WRKY、NO APICAL MERISTEM/ARABIDOPSIS TRANSCRIPTION ACTIVATION FACTOR/CUP-SHAPED COTYLEDON (NAC)和basic leucine zipper (bZIP)等家族的转录因子直接结合到自噬相关 (ATG)基因的启动子上，从而将应激响应信号通路整合起来，动态调控自噬活性。表观遗传修饰，包括组蛋白修饰、DNA甲基化、N⁶-甲基腺苷 (m⁶A) 甲基化和microRNA介导的沉默，进一步精细调节ATG基因的表达以应对环境变化。在翻译后水平，磷酸化、泛素化、乙酰化、过硫化以及S-亚硝基化等修饰作为快速调控开关，在应激条件下调节自噬体的形成。本综述总结了这些调控层次的最新进展，强调了这些调节因子如何共同作用以提高植物对环境信号的耐受性。揭示这些机制将扩展我们对植物自噬调控网络的理解，并为提高作物抗逆性提供潜在策略。

引言

自噬是真核生物中高度保守的细胞内回收过程，它将细胞质成分输送到溶酶体或液泡中进行降解。这一过程既是重要的细胞维护机制，也是应激响应机制，调控植物的生长、发育以及适应不利条件（Michaeli等人，2016；Marshall和Vierstra，2018）。植物中已报道了三种不同类型的自噬，即巨自噬、微自噬和巨型自噬，其中巨自噬（以下简称自噬）是主要形式（Qi等人，2021）。自噬涉及形成称为自噬体的双膜结构，这些结构包裹货物并随后与液泡融合进行降解（Li和Vierstra，2012；Soto-Burgos等人，2018）。

在过去十年中，研究表明自噬具有高度选择性（Li和Vierstra，2012；Marshall和Vierstra，2018）。这种选择性依赖于特定的受体，这些受体能够识别泛素化的底物，从而通过称为线粒体自噬、过氧化物酶体自噬、叶绿体自噬和内质网自噬的专门途径，有针对性地清除受损的线粒体、过氧化物酶体、叶绿体、内质网（ER）和核糖体（Cadena-Ramos和De-la-Pe?a，2024）。这种选择性的分子基础在于受体蛋白的双重功能：一个结构域识别并结合货物，另一个结构域与锚定在自噬膜上的ATG8蛋白相互作用，从而将货物与自噬机制连接起来（Abdrakhmanov等人，2020）。大多数货物受体通过ATG8相互作用基序（AIM）或泛素相互作用基序（UIM）与ATG8结合（Noda等人，2010；Marshall等人，2019）。在拟南芥中，特征明确的受体NEIGHBOR OF BRCA1 GENE 1 (AtNBR1)通过泛素相关（UBA）结构域识别泛素化底物，并通过其AIM基序与ATG8连接（Zhou等人，2013；Petersen等人，2024）。最近，在植物中还鉴定出几种其他选择性的自噬受体，包括DOMINANT SUPPRESSOR OF KAR 2 (AtDSK2)、HEAVY METAL-ASSOCIATED ISOPRENYLATED PLANT PROTEIN 33 (AtHIPP33)和MEMBRANE ATTACK COMPLEX/PERFORIN LIKE 2 (AtMACP2)（Nolan等人，2017；Wu等人，2025；Zhou等人，2025）。

核心自噬机制由一系列在酵母、动物和植物中都存在的保守ATG蛋白组成（Marshall和Vierstra，2018）。这些ATG蛋白组织成五个功能复合体，介导自噬体的形成和货物降解：（1）ATG1/13激酶复合体，负责自噬的启动；（2）III类磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）复合体，促进囊泡的形成；（3）ATG9–ATG18膜传递系统，促进吞噬体的扩展；（4）两种泛素样结合系统ATG8–磷脂乙醇胺（PE）和ATG5–ATG12，驱动自噬体的成熟；（5）可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体（SNARE）复合体，负责自噬体与质膜的融合（Li和Vierstra，2012；Soto-Burgos等人，2018；Yoshimoto和Ohsumi，2018）。与其生理重要性相符，拟南芥中ATG基因的破坏会导致叶片衰老加速、生命周期缩短、对营养限制的敏感性增强、对生物和非生物胁迫的抵抗力改变、免疫反应持续激活以及代谢紊乱（Avin-Wittenberg，2019；Chen等人，2019；Signorelli等人，2019；Qi等人，2021；Yagyu和Yoshimoto，2024）。总体而言，这些发现表明自噬在维持植物适应性、应激适应和代谢稳态方面不可或缺。

鉴于自噬的核心作用，近期研究越来越多地关注调控自噬活性的机制。转录因子介导的ATG基因表达调控是植物自噬控制以适应发育状态和环境信号的关键策略（Yang等人，2020a）。在表征功能性转录因子方面取得了显著进展，包括WRKY、NO APICAL MERISTEM/ARABIDOPSIS TRANSCRIPTION ACTIVATION FACTOR/CUP-SHAPED COTYLEDON (NAC)、basic leucine zipper (bZIP)、HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR (HSF)和MCM1 AGAMOUS DEFICIENS SRF-box (MADS-box)家族的成员。此外，参与调控生物钟的转录因子，如LUX ARRHYTHMO (LUX)和TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1)，以及关键的植物激素信号调节因子如BRASSINAZOLE-RESISTANT 1 (BZR1)和ETHYLENE RESPONSE FACTOR 5 (ERF5)，也被发现与此有关。这些转录因子直接或间接结合到ATG基因的启动子上，调节其表达，从而激活自噬，甚至在生物和非生物胁迫下将植物激素信号与自噬反应联系起来（Liao和Bassham，2020；Yang等人，2020a；Agbemafle等人，2023）。此外，表观遗传修饰如组蛋白修饰、DNA甲基化、N⁶-甲基腺苷 (m⁶A) 甲基化和microRNA介导的沉默为ATG基因提供了额外的精确调控层，以适应应激（Yang等人，2020a）。

除了转录和表观遗传调控外，翻译后修饰（PTMs）能够快速且可逆地调节植物在生物和非生物胁迫下的自噬活性。PTMs包括磷酸化、泛素化、乙酰化、过硫化以及S-亚硝基化，作为分子开关动态调节ATG蛋白的稳定性和活性，从而精细调节植物的自噬流（Qi等人，2021；Agbemafle等人，2023）。本综述总结了在多种环境信号下调控植物自噬的分子机制的最新突破。我们特别关注在转录、表观遗传和翻译后水平上精密调控自噬活性的复杂调控网络。通过强调关键调控因子和未解决的问题，我们旨在为基于自噬的策略提供理论基础，以提高作物在气候变化和环境胁迫下的抗逆性。

小节片段

基础条件下的ATG基因调控

自噬受到转录网络的严格调控，以平衡生长和应激响应。在营养丰富的条件下，ATG基因表现出昼夜表达模式，其特征是白天抑制、夜间激活（Yang等人，2022）。这种节律性由光信号转录因子ELONGATED HYPOCOTYL 5 (AtHY5)调控，它招募HISTONE DEACETYLASE 9 (AtHDA9)在白天抑制包括AtATG5和AtATG8e在内的特定基因的表达（

结论与未来展望

自噬已成为一种关键的调控机制，通过降解细胞内成分来帮助植物应对各种环境胁迫，维持细胞稳态。最近的研究阐明了在生物和非生物胁迫期间控制自噬的转录、表观遗传和翻译后调控网络。尽管取得了这些进展，未来研究中仍有一些关键问题需要解决。

未引用参考文献

Contreras-de la Rosa等人，2022；Lubega等人，2021；Mosesso等人，2024。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32370361和32321163646）、广东省专项支持计划（项目编号NYQN2024009）、广东省科技计划（项目编号2021B1212040008）以及岭南现代农业实验室项目（项目编号NG2021002和NT2025008）的支持。