突破！CTR1亚细胞运输增强对乙烯气体的响应

植物激素乙烯参与调控种子发芽、根毛形成、果实成熟、叶和花衰老等发育过程以及对生物和非生物胁迫的响应。暴露于乙烯的拟南芥幼苗下胚轴的生长速度显著降低。在乙烯去除后的90分钟内，幼苗恢复到原本的生长速率。然而，幼苗响应乙烯的潜在机制尚不清楚。近日，来自普渡大学西拉法叶分校植物学与植物病理学系的Gyeong Mee Yoon团队在Nature Communications杂志上发表了题为Ethylene-triggered subcellular trafficking of CTR1 enhances the response to ethylene gas的研究论文。这篇文章作者报道了乙烯信号传导的负调节因子——Raf-like类蛋白激酶CTR1（CONSTITUTIVETRIPLERESPONSE1）。核定位的CTR1与EIN3（ETHYLENE-INSENSITIVE3）结合的F-box（EBF）蛋白互作并抑制其作用，稳定乙烯敏感性3（EIN3）转录因子，从而增强乙烯反应并延缓幼苗生长恢复。此外，CTR1核定位增强的拟南芥植株表现出更好的耐旱和盐胁迫表型。这些发现揭示了乙烯信号传导通路机制。

先前研究表明，在没有乙烯的情况下，内质网（ER）定位的乙烯受体激活CTR1蛋白激酶，进而磷酸化EIN2（ETHYLENEINSENSITIVE2），可防止EIN2在没有乙烯的情况下发出信号传导。当植物受到乙烯响应时，受体和CTR1失活，导致磷酸化减少和EIN2积累增加。然后蛋白水解EIN2并释放C端结构域（EIN2-CEND）。EIN2-CEND易位到细胞核中并间接激活EIN3和EIN3-like(EIL)，它们是乙烯信号传导的中心转录因子。EIN2-CEND还与EBF1和EBF2的mRNA结合抑制它们的翻译，最终阻止EIN3/EIL蛋白的降解。在细胞核中，EBF1和EBF2通过26S蛋白酶体降解EIN3。

CTR1由N端调节结构域和C端激酶结构域组成。为了探究CTR1的功能，作者在黑暗中把拟南芥植株暴露于外源乙烯后检测CTR1的亚细胞定位。在乙烯感知抑制剂硝酸银（AgNO3）的存在下，或在乙烯不敏感的etr1-1突变体中，GFP-CTR1融合蛋白定位于内质网。出乎意料的是，添加ACC（乙烯的直接前体）或外源乙烯，GFP-CTR1在细胞核中积累。破坏EIN2和EIN3/EIL1并不能阻止GFP-CR1的核积累，表明EIN2和EIN3不是CTR1核易位所必需的。ACC通常用于诱导植物的乙烯反应, 研究发现ACC和乙烯导致等效的CTR1核易位，作者用ACC进行进一步研究，最终揭示了乙烯独立于EIN2和EIN3/EIL刺激CTR1从内质网向细胞核的易位，并且核CTR1蛋白通过未知机制降解或者在乙烯去除后被运回细胞质。接着作者还证明了CTR1的N末端抑制ACC诱导的CTR1核运动。CTR1的激酶活性对于ACC诱导的CTR1核易位不是必需的。

为了验证CTR1的核运动不调控主要乙烯反应而是通过核乙烯信号影响乙烯反应的猜测，作者测量了黄化幼苗下胚轴响应乙烯的生长情况。野生型拟南芥下胚轴响应乙烯的生长抑制有两个阶段，EIN2在两个阶段都是必需的，EIN3/EIL1仅在II阶段是必需的。有趣的是，在II阶段去除乙烯后，下胚轴生长90分钟内迅速恢复到处理前的生长速度，表明存在快速关闭乙烯响应的机制。作者接着证明了核定位的CTR1延迟了乙烯去除后幼苗的生长恢复，可能是通过EIN3蛋白的稳定。

在这篇文章中作者最终提出了乙烯诱导的CTR1核易位和乙烯响应刺激模型。在没有乙烯的情况下，乙烯受体CTR1和EIN2主要定位于ER。受体激活的CTR1磷酸化EIN2，从而通过EIN2靶向蛋白1（ETP1）和ETP2导致EIN2蛋白降解。在乙烯的存在下，受体和CTR1失活。失活的CTR1不再磷酸化EIN2，EIN2（EIN2-CEND）的C端结构域被蛋白水解裂解并转移到细胞核，通过EIN3激活启动初级乙烯反应。EIN2-CEND也靶向P-bodies并抑制EBF 的mRNA翻译。在EIN2-CEND移动到细胞核后，CTR1从受体中释放并通过未知机制重新定位到细胞核。核定位的CTR1直接与EBF2相互作用，从而通过未知机制稳定EIN3，最终刺激乙烯反应。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35975-6#Fig7

来源：植物生物技术Pbj

转自：“iPlants”微信公众号

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