應(yīng)激顆粒（Stress granules, SGs）是植物在寒冷、高溫、干旱、高鹽等脅迫條件下于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成的無(wú)膜聚合物，在提高植物脅迫耐受性、促進(jìn)脅迫后恢復(fù)生長(zhǎng)中起關(guān)鍵作用。TOR激酶作為一類(lèi)高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過(guò)復(fù)合體形式調(diào)控細(xì)胞增殖、蛋白質(zhì)合成、自噬、光形態(tài)建成及逆境響應(yīng)等重要生理過(guò)程。在哺乳動(dòng)物和酵母中，TOR信號(hào)通路與應(yīng)激顆粒之間已存在已知的交叉調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，然而在植物中，二者是否存在相互調(diào)控及其具體機(jī)制尚不明確。

近日，福建農(nóng)林大學(xué)熊延教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances上發(fā)表了題為Stress granule dynamics govern TOR reactivation and growth recovery during post-heat stress adaptation的研究論文，揭示了植物在熱脅迫適應(yīng)過(guò)程中應(yīng)激顆粒與TOR信號(hào)通路之間的調(diào)控機(jī)制。

該研究首先以應(yīng)激顆粒的標(biāo)志蛋白PAB4和RBP47B作為觀察對(duì)象，發(fā)現(xiàn)TOR抑制劑處理不影響熱激期間應(yīng)激顆粒的形成。在植物中， TOR復(fù)合物1（TOC1）包括三個(gè)核心組分：TOR, RAPTOR1B和LST8。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，RAPTOR1B和LST8在熱激后能夠形成聚合物，并且與PAB4和RBP47B形成的應(yīng)激顆粒基本共定位。由于難以獲得TOR穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因材料，該研究通過(guò)差速離心結(jié)合免疫沉淀的技術(shù)，證實(shí)TOR蛋白可被富集于PAB4形成的應(yīng)激顆粒中。以上結(jié)果表明，熱激后，TOR及其復(fù)合體組分RAPTOR1B、LST8被招募到應(yīng)激顆粒中（圖1）。

圖1 熱激后TORC復(fù)合體組分被隔離到SGs中

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，熱激迅速抑制TOR激酶的活性。而在熱激后的恢復(fù)過(guò)程中，TOR活性約在40分鐘后開(kāi)始回升。若預(yù)處理抑制應(yīng)激顆粒形成的放線菌酮（CHX），TOR活性恢復(fù)提前至20分鐘，暗示應(yīng)激顆粒的解聚速率影響TOR再激活的速率。進(jìn)一步通過(guò)調(diào)控?zé)嵝菘说鞍譎SP101（影響應(yīng)激顆粒解聚）的遺傳材料發(fā)現(xiàn)：與野生型相比，在功能缺失突變體hot1-3中，應(yīng)激顆粒的解聚與TOR活性的恢復(fù)均減緩；而在HSP101過(guò)表達(dá)植株中，二者恢復(fù)均加快。（圖2）。以上結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)SG的動(dòng)態(tài)變化調(diào)控TOR信號(hào)通路在熱脅迫后的重激活。

圖2 熱激后TOR活性的重新激活依賴于SG

課題組前期研究顯示，葡萄糖可激活TOR信號(hào)通路，從而促進(jìn)根的生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)，熱激會(huì)延緩葡萄糖誘導(dǎo)的TOR活性恢復(fù)及主根生長(zhǎng)。與野生型相比，在hot1-3突變體中，這種延緩效應(yīng)更為顯著；而在HSP101過(guò)表達(dá)植株中，恢復(fù)過(guò)程明顯加快。（圖3）。以上結(jié)果表明，在熱激后的恢復(fù)階段，應(yīng)激顆粒通過(guò)調(diào)控葡萄糖-TOR信號(hào)通路的重激活進(jìn)程，進(jìn)而影響主根再生長(zhǎng)的速率。

圖3 SG的動(dòng)態(tài)變化調(diào)控葡萄糖-TOR信號(hào)通路介導(dǎo)的根生長(zhǎng)過(guò)程

綜上所述，該研究揭示了植物在熱脅迫后通過(guò)應(yīng)激顆粒動(dòng)態(tài)調(diào)控TOR激酶活性的恢復(fù)，進(jìn)而啟動(dòng)生長(zhǎng)復(fù)蘇的分子機(jī)制。該研究不僅首次在植物中揭示了應(yīng)激顆粒與TOR信號(hào)通路之間的雙向調(diào)控關(guān)系，也為進(jìn)一步通過(guò)分子育種手段改良作物耐熱性、提升氣候變化背景下植物的逆境適應(yīng)能力提供了新的理論依據(jù)與潛在靶點(diǎn)。

福建農(nóng)林大學(xué)熊延教授課題組的講師鐘兆宸和博士研究生楊肅赟為論文共同第一作者。福建農(nóng)林大學(xué)熊延教授和鐘兆宸博士為本文共同通訊作者。該工作得到了清華大學(xué)方曉峰教授、福建農(nóng)林大學(xué)徐通達(dá)教授和劉巖林教授的幫助和大力支持。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、福建農(nóng)林大學(xué)科研經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv6202