New Phytol | 甘肃农业大学揭示番茄响应镉胁迫的分子机制

重金属Cd污染严重威胁农业生产与农产品安全。Cd胁迫可诱导植物发生PCD，进而影响生长与发育。NO和H₂S作为重要的气体信号分子，在植物响应非生物胁迫中发挥关键作用，然而二者在Cd诱导PCD中的协同调控机制尚不清楚。

近日，甘肃农业大学廖伟彪教授团队在New Phytologist 发表了题为“S-nitrosylation of GSNOR and LCD facilitates cadmium-induced programmed cell death in tomato seedlings” 的研究成果，揭示了一氧化氮（NO）和硫化氢（H₂S）通过其关键代谢酶S-亚硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR）和L-半胱氨酸脱巯基酶（LCD）的相互作用及翻译后修饰协同调控镉（Cd）胁迫诱导番茄程序性细胞死亡（PCD）的分子机制。

研究发现，在 CdCl₂ 处理条件下，外源施加 NO 供体（GSNO）或 H₂S 供体（NaHS）在一定程度上可缓解番茄幼苗的细胞死亡表型。然而，进一步的药理学和遗传学分析表明，Cd 胁迫下 NO 介导的 S-亚硝基化修饰抑制了 GSNOR 和 LCD 的酶活性，并削弱二者之间的相互作用，导致 NO/H₂S 信号稳态失衡，从而促进 Cd 诱导的程序性细胞死亡发生。其中，NO 的作用依赖于 H₂S 的生成，反之亦然，表明 NO 与 H₂S 在 Cd-诱导 PCD 过程中存在紧密的协同调控关系（图 1）。

图1 一氧化氮和硫化氢是番茄幼苗中镉诱导PCD缓解的正向调节因子

参与 NO 和 H₂S 代谢的关键酶 GSNOR 和 LCD 也被证实是植物响应镉（Cd）胁迫的重要调控因子。通过 CRISPR-Cas9 技术构建的基因敲除材料发现，GSNOR（负调控 NO 水平）和 LCD（催化 H₂S 生成）的缺失均显著降低了番茄对 Cd 胁迫的耐受性。与野生型相比，敲除植株在 Cd 处理下表现出更严重的细胞死亡表型，并伴随着多种程序性细胞死亡（PCD）相关基因的显著上调（图 2，图3），表明 GSNOR 和 LCD 通过维持 NO/H₂S 信号稳态在 Cd 胁迫耐受性中发挥关键作用。

图2 GSNOR敲除番茄幼苗对镉胁迫的响应

图3 LCD 敲除番茄幼苗对镉胁迫的响应

研究团队采用生物素转换法（biotin-switch assay）证实，GSNOR 和 LCD 均为 S-亚硝基化修饰的直接靶标蛋白。研究发现，在体内和体外条件下，GSNOR 和 LCD 蛋白均可发生由一氧化氮（NO）介导的 S-亚硝基化修饰。进一步结合质谱分析与位点定向突变，精准鉴定出 GSNOR 的 S-亚硝基化修饰位点为 Cys47，LCD 的修饰位点为 Cys225。为解析该翻译后修饰的功能意义，研究者构建了功能模拟突变体（Cys→Trp）和功能缺失突变体（Cys→Ser）。结果表明，GSNOR 和 LCD 的 S-亚硝基化修饰显著抑制其酶活性，从而破坏 NO/H₂S 信号稳态，并最终 增强镉胁迫下番茄程序性细胞死亡的发生，降低植株对 Cd 诱导 PCD 的耐受能力（图 4）。

图4. GSNOR 和 LCD 分别在Cys47和Cys225位点的S-亚硝基化修饰加剧镉诱导的PCD

本研究首次发现并证实了 GSNOR 与 LCD 之间存在直接的蛋白质相互作用。值得注意的是，镉（Cd）处理显著增强了二者之间的互作强度，而 NO 介导的 S-亚硝基化修饰，尤其是模拟持续修饰状态的突变体，则明显削弱了 GSNOR 与 LCD 的相互作用（图 5）。

图5 S-亚硝基化修饰损害 GSNOR 与 LCD 在Cd诱导PCD中的相互作用

进一步对双突变杂交株系的分析表明，GSNOR 和 LCD 的 S-亚硝基化修饰在功能上具有叠加效应，共同导致更为严重的程序性细胞死亡（PCD）表型，并伴随着明显的细胞核形态异常。结合镉荧光探针分析发现，S-亚硝基化修饰突变体，尤其是双修饰模拟突变体（LW+GW），其根系中镉的积累显著增加。这一结果表明，S-亚硝基化修饰通过破坏 GSNOR–LCD 复合体的形成，削弱根系对镉的滞留或外排能力，从而进一步加剧 Cd 胁迫诱导的程序性细胞死亡（图 6）。

图6 GSNOR和LCD的S-亚硝基化修饰调控番茄幼苗的细胞死亡与镉积累

该研究不仅揭示了NO与H₂S信号在镉胁迫下的协同作用机制，还首次阐明了其关键代谢酶GSNOR和LCD通过S-亚硝基化修饰及蛋白质互作进行交叉对话，共同整合到一个调控网络中，精细控制植物PCD进程。这为深入理解植物重金属胁迫响应机制提供了新的视角，也为通过基因工程手段培育耐镉作物品种提供了重要的候选基因和理论依据。

本研究由甘肃农业大学廖伟彪教授团队完成，论文通讯作者为廖伟彪，甘肃农业大学作物学在站博士后黄登婧为第一作者。该研究得到国家自然科学基金（32360743 和 32072559）、甘肃省博士后科学基金（03825009）以及甘肃农业大学博士后科研启动基金（225058）项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.70941Differential ‘resuscitation’ from the seed microbiota: a plant‐holobiont ecological strategy for buffering stresses - Xu - New Phytologist - Wiley Online LibraryDifferential ‘resuscitation’ from the seed microbiota: a plant‐holobiont ecological strategy for buffering stresses - Xu - New Phytologist - Wiley Online LibraryDifferential ‘resuscitation’ from the seed microbiota: a plant‐holobiont ecological strategy for buffering stresses - Xu - New Phytologist - Wiley Online LibraryDifferential ‘resuscitation’ from the seed microbiota: a plant‐holobiont ecological strategy for buffering stresses - Xu - New Phytologist - Wiley Online LibraryDifferential ‘resuscitation’ from the seed microbiota: a plant‐holobiont ecological strategy for buffering stresses - Xu - New Phytologist - Wiley Online Libraryhttps://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70920B1

New Phytologist 是一本国际期刊，致力于发表植物科学及其应用领域的杰出原创研究成果。本刊研究领域分为五大板块：生理学与发育、环境、植物-生物相互作用、进化以及变革性植物生物技术，涵盖主题从细胞内的微观过程延伸至全球环境变化的宏观层面。期刊由非营利组织新植物学家基金会（New Phytologist Foundation）所有，该基金会作为独立的慈善机构，以推动植物科学发展为宗旨。

期刊主页：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/journal/14698137

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供稿 | 黄登婧

排版 | 谢思敏

审核 | 王鹏蔚