突破！首次发现植物新的内源性硝基氧化还原因子HNO的分子机理研究

以下文章来源于植物生物技术Pbj ，作者F.YB

硝氧基（HNO)是一氧化氮(•NO)的单电子还原和质子化同源物，具有独特的化学特征。在生理pH下，HNO而不是氮氧基阴离子（NO–）占主导地位。HNO相对一氧化氮(•NO)在20世纪80年代末被确定为哺乳动物系统中内皮细胞松弛的生理介质，并已被证明是许多生理和病理反应过程中主要的调节因子。尽管对HNO的生物学效应进行了深入研究，但在哺乳动物细胞中尚未检测到其内源性形成，而在植物中，HNO生成系统和硝氧基参与触发的生物反应几乎是未知领域。

2022年12月23日，Nature Plants杂志在线发表了波兹南密茨凯维奇大学的一篇题为“Discovery of endogenous nitroxyl as a new redox player in Arabidopsis thaliana的研究论文。该研究中，作者提出了第一个关于HNO的实验证据，即HNO是在模式植物拟南芥Arabidopsis thaliana（L.）的活细胞中内源性形成的。此外，还使用精确的方法检测HNO和硝氧基形成或清除的特定调节剂，表明细胞氧化还原环境紧密平衡了HNO的形成。

首先，作者通过使用电化学微传感器实时测量HNO浓度（1 nM–1 µM）。验证了微传感器的HNO电检测在三种结构不同的供体溶液中的有效性：Angeli盐（AS）、4-NO2-Piloty酸（NPA）和Cimlanod（CM）。接下来，记录了21天野生型（WT）拟南芥叶片提取物中内源性HNO生成的浓度/时间轨迹（图1b）。结果证实，在生理（非胁迫）条件下，植物内源性产生低浓度的HNO。内源性•NO决定了生物系统中的HNO含量，可能通过一氧化氮一电子还原为硝氧基。

图一：拟南芥中HNO的检测

其次，该研究假设发育或环境刺激改变了细胞氧化还原平衡，并引起HNO波动。为了验证这一假设，作者将野生型拟南芥植物置于黑暗诱导的叶片衰老（DILS）中，作为氧化还原稳态扰动的模型。正如预期的那样，衰老促进了不利于HNO生成的氧化环境。硝氧基预处理的叶片显示出衰老相关基因转录物（包括编码半胱氨酸蛋白酶的SAG12）的积累显著减少，叶绿素降解减少，得出结论是HNO产生的波动是调节黑暗诱导衰老的氧化还原途径的一部分。

图2：DILS期间野生型拟芥植株内源HNO形成的动力学

随后，为了进一步支持细胞氧化还原状态对HNO动力学起决定性作用的假设，对野生型拟南芥植物进行了与还原条件相关的缺氧处理。缺氧主要在前24小时内促使HNO的形成显著增加(~25%)(图3a-c)。压力消除一天后，HNO急剧下降（图3a）。这些结果表明，硝氧基动力学转向HNO形成的转变是植物细胞中的早期还原应激相关反应。通过寻找还原性环境下HNO的生理来源，也证实了由抗坏血酸、水杨酸或硫化氢(H2S)等细胞还原剂介导的非酶促•NO/HNO相互转化可能是植物细胞中HNO形成的重要体内途径。最后，为了发现野生型拟南芥叶片中氧化还原依赖性HNO波动的生理意义，对HNO依赖性转录组（TXPTS处理）进行了分析。观察到的HNO在乙烯反应调节中的含义可能对HNO形成升高的环境变化的反应至关重要。ERS2属于一组膜定位受体蛋白，而EBF2通过启动激素信号转导来控制细胞中乙烯信号的减少或重置细胞中的乙烯反应。

图三：暴露于缺氧的野生型拟南芥叶片中内源性HNO形成的动力学和HNO响应基因的鉴定。

这些研究首次证实了活细胞内源性HNO的产生，并指出了该分子在植物乙烯信号通路中的一种新的调节作用。衰老和缺氧诱导氧化还原平衡的改变，触发HNO衰变或由细胞还原剂介导的非酶性•NO/HNO相互转化。刺激依赖的HNO生成支持或竞争•NO信号，这取决于局部的氧化还原环境。本研究结果为探索HNO在活细胞中的生物学功能提供了动力和框架。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01301-z

来源：植物生物技术Pbj

转自：“iPlants”微信公众号

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