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责编 | 王一
随着全球气候变暖加剧，局部极端高温频繁发生，植物生长面临高温胁迫的严峻挑战。高温胁迫极大影响植物的生长发育，严重时甚至导致植物死亡，造成作物减产或绝收。为应对高温引起的伤害，植物在长期的进化过程中形成了复杂的生理生化适应机制来清除或修复变性的蛋白等生物大分子以维持细胞稳态。目前，已有大量研究从基因转录层面关注植物响应高温胁迫的调控机制，如包括热激转录因子（HSFs）和热休克蛋白（HSP）在内的许多高温响应基因及其转录调控网络被逐渐揭示。然而，在细胞生物学层面，植物如何应对高温胁迫，来动态清除或修复受损的细胞器以维持细胞稳态还缺乏深入的认识。
2023年4月21日，华南师范大学高彩吉课题组与合作者在Nature Plants发表了题为A non-canonical role of ATG8 in Golgi recovery from heat stress in plants的研究论文，首次发现非经典自噬调控高尔基体稳态和植物热胁迫响应的细胞学功能和分子机制。
自噬是对细胞内功能异常的蛋白质或细胞器进行识别并转运至液泡或溶酶体降解的物质代谢周转途径。作为一种重要的细胞稳态调控机制，自噬直接参与了植物的热胁迫记忆、干旱和抗病反应等各类非生物和生物逆境适应过程(Marshall and Vierstra, 2018; Yang et al., 2020; Qi et al., 2021; Thirumalaikumar et al., 2021)。为了深入解析自噬调控植物热胁迫响应的细胞生物学机制，该研究对不同温度处理下ATG8蛋白的亚细胞定位做了系统分析，发现自噬经典标记蛋白ATG8在短暂极端高温（42~45℃，5-20 mins）处理后形成大量的点状结构。这些极端高温诱导形成的GFP-ATG8点状结构并不会进入液泡，预示着这些ATG8标记的点状结构不是传统的自噬体。通过大量的遗传材料分析，该研究发现热胁迫诱导的ATG8点状结构的形成不依赖于自噬上游调节因子如ATG1、ATG11及ATG9等，但却依赖于ATG4、ATG5、ATG7和ATG16等ATG8蛋白脂化修饰调控系统（图1）。这些特征预示着首次在植物中发现一条非经典自噬诱导途径。
图1. 短暂热应激导致GFP-ATG8形成大量点状结构。GFP-ATG8点状结构的形成并不依赖于自噬上游调节因子如ATG1等，但依赖于ATG5等脂化修饰调控因子。热应激诱导的ATG8点状结构与高尔基体标记蛋白SYP32等共定位。
为了探究ATG8点状结构的亚细胞定位，该研究构建了大量荧光标记ATG8与内膜系统标记蛋白的双杂交转基因植物。共聚焦成像显示热胁迫后ATG8定位到高尔基体（图1）。有意思的是，该研究发现热激后高尔基体膜囊垛叠结构消失，细胞中呈现大量的成簇泡状结构。免疫电镜实验明确了这些聚集的泡状结构为解散和膨大的高尔基体膜囊，并且确认了ATG8被招募到这些单膜的高尔基膜泡上。为进一步探究ATG8转位到膨大高尔基体膜泡上所行使的功能，该研究通过电镜三维断层成像技术对比分析了野生型Col-0及atg5-1突变体（不会形成ATG8点状结构）在热应激恢复过程中高尔基体的形态变化过程。结果显示，在热胁迫后的恢复阶段，相比野生型，atg5-1等自噬突变体中高尔基体由解散的膜泡重新组装为完整膜囊垛叠结构的重组装过程显著滞后（图2）。
图2. 电镜三维断层成像显示在热胁迫后的恢复阶段，自噬突变体中高尔基体垛叠结构的重新组装过程显著滞后。
定位在高尔基体的ATG8蛋白到底是如何协助热胁迫后高尔基体结构和功能恢复的？围绕这一问题，该研究随后构建了TurboID临近标记体系探究热胁迫前后ATG8的邻近蛋白组。通过质谱分析发现，在热胁迫后的ATG8邻近蛋白组中，网格蛋白包被小泡组分高度富集。酵母双杂交筛选，并经Co-IP、BIFC及in vivo Pull-down等手段确认ATG8与网格蛋白CLC2直接互做。通过免疫电镜进一步分析发现，CLC2可被招募到高尔基泡膜上，部分标记到凸起的芽管上。进一步通过电镜三维断层成像分析发现在热激恢复过程中，高尔基体囊泡凸起现象是比较普遍的现象。基于此，该研究推测ATG8通过招募CLC2等网格蛋白组分，介导ATG8阳性小泡的形成，可能帮助肿胀的高尔基体内腔变性蛋白的清除和渗透压的恢复，从而有利于热胁迫恢复期高尔基体垛叠结构的重新形成（图3）。
图3. ATG8介导的非经典自噬调控热胁迫下高尔基体稳态的模式图。
该研究由华南师范大学和香港中文大学等多个单位合作完成，华南师范大学周俊博士、杨超博士和香港中文大学马俊才博士为论文并列一作，华南师范大学高彩吉教授、周俊博士和香港中文大学Byung-Ho Kang教授为论文的共同通讯作者。香港中文大学姜里文教授、庄小红教授，华南农业大学李发强教授及绍兴文理学院王超教授参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金国际合作项目、面上项目、霍英东教育基金会、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目以及2022年华南师范大学粤港澳大湾区交流项目等基金的支持。
参考文献：
Marshall, R.S., and Vierstra, R.D. (2018). Autophagy: The Master of Bulk and Selective Recycling. Annu Rev Plant Biol. 69, 173-208.
Qi, H., Xia, F.N., and Xiao, S. (2021). Autophagy in plants: Physiological roles and post-translational regulation. J Integr Plant Biol 63, 161-179.
Thirumalaikumar, V.P., Gorka, M., Schulz, K., Masclaux-Daubresse, C., Sampathkumar, A., Skirycz, A., Vierstra, R.D., and Balazadeh, S. (2021). Selective autophagy regulates heat stress memory in Arabidopsis by NBR1-mediated targeting of HSP90.1 and ROF1. Autophagy 17, 2184-2199.
Yang, C., Luo, M., Zhuang, X., Li, F., and Gao, C. (2020). Transcriptional and Epigenetic Regulation of Autophagy in Plants. Trends Genet 36, 676-688.
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-023-01398-w
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