Nature突破！植物胞外过氧化氢受体首次被发现！

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过氧化氢（双氧水，H₂O₂）作为最主要的活性氧（ROS）成分，在单细胞到多细胞生物体内作为信号分子发挥着重要的生物学功能。细胞可利用其质膜上的NADPH氧化酶等在胞外产生过氧化氢（extracellular H₂O₂, eH₂O₂），并进一步诱导下游信号转导，从而调控生物的生长、发育及其对外界胁迫的响应【1,2】。在植物中，胞外过氧化氢在根系发育，花粉管生长，器官凋萎以及应对生物、非生物胁迫响应等诸多生理过程中发挥着至关重要的作用【2】。前期在动物和植物中的研究表明，胞外过氧化氢通过水通道进入胞质，进而氧化修饰胞内蛋白质，从而发挥功能【1,2】。但是细胞表面是否存在过氧化氢的受体仍不为人所知。

2020年2月19日，美国杜克大学、北卡大学教堂山分校和国内研究团队合作在Nature发表了题为Hydrogen-peroxide sensor HPCA1 is an LRR receptor kinase in Arabidopsis 的研究论文【3】（杜克大学Zhen-Ming Pei教授为该论文的通讯作者， 吴飞华博士为第一作者）。该研究首次发现了植物细胞表面过氧化氢受体HPCA1（hydrogen-peroxide-induced Ca²⁺ increases 1），并揭示了其作用机制。该研究是植物环境感受和信号转导领域的又一突破性研究成果。Nature杂志同期配发了英国伯明翰大学Christine Foyer教授撰写的题为Making sense of hydrogen perxodie signals的评论文章，对该工作进行了解读和点评。

2000年，Zhen-Ming Pei等在Nature发表论文报道了过氧化氢激活质膜钙内流离子通道从而导致胞内钙上升，这一过程在脱落酸（ABA）诱导气孔关闭过程中起着关键作用【4】。其后大量的生理研究表明，过氧化氢所诱导的钙内流是其发挥生理功能的主要机制，然而导致细胞内钙离子增加的过氧化氢受体及其作用的分子机制始终不清楚。

为了寻找过氧化氢导致钙增加的分子机制，研究人员先后采用了经典的拟南芥突变体筛选法【5】和动物细胞系进行的表达克隆等方法【6】，但均没有找到相关基因。经过多年的摸索，研究人员在采用基于细胞内钙成像的正向遗传筛选法成功克隆植物渗透感受器OSCA1和植物盐受体GIPC的基础上【7,8】，进一步筛选获得了胞外过氧化氢激活细胞内钙离子浓度增加的缺陷型拟南芥遗传突变体（hpca1）。

Isolation of Arabidopsis mutants defective in H₂O₂-induced Ca²⁺ increases.

胞外过氧化氢刺激下，水母钙荧光蛋白成像显示，hpca1突变体的胞内钙离子浓度增加明显下降，但是渗透和盐胁迫导致的钙增加没有发生变化，说明该突变体只影响胞外过氧化氢钙信号传导。利用另外一个钙指示蛋白Cameleon YC3.6的成像也验证了在hpca1突变体保卫细胞中，过氧化氢钙信号减弱，而且钙内流电流也减弱。同时，在hpca1突变体中，过氧化氢诱导和ABA诱导的气孔关闭也受到明显影响。

Diagram depicts hpca1 mutations, Cys residues in the hydrogen peroxide domain, and phosphorylation sites.

利用基因组重测序发现，有三个hpca1突变体均定位在一个之前未详细报道功能的富含亮氨酸重复类受体蛋白激酶 (LRR-RLKs, AT5G49760)，该激酶属于VIII-1亚型，在胞外的LRR结构域与跨膜结构之间存在一个进化保守的富含半胱氨酸区间，被作者命名为HP domain（过氧化氢感受结构域）。HPCA1蛋白具有激酶活性，且施加的过氧化氢可剂量依赖性激活其自磷酸化水平，进一步的遗传学实验也证实其激酶活性是蛋白功能所必须的。

最后，研究人员进一步通过药理学和遗传学数据，证实了该受体激酶的HP domain中胞外还原性的Cys残基可以被胞外过氧化氢氧化，而且作用位点在胞外，充分证明了该受体激酶在胞外过氧化氢感受的分子机理。

Model for HPCA1 as cell-surface sensors for eH2O2

该研究是利用钙成像筛选植物环境感受分子机制的又一突破性成果，揭示了20年前发现的外源过氧化氢激活钙离子通道的关键组分。显然，未来发现HPCA1激活的钙离子通道分子特性将有利于进一步完善植物感受过氧化氢的分子机制。总之，该研究对进一步揭示植物适应全球环境变化的生理生态效应及分子机制具有重大的理论意义，同时也对培育提高抗逆性农作物品种有极其广泛的应用前景【9】。

参考文献

1. Sies, H., C. Berndt, and D.P. Jones, Oxidative stress. Annual Review of Biochemistry, 2017. 86: p. 715-748.

2. Waszczak, C., M. Carmody, and J. Kangasjarvi, Reactive oxygen species in plant signaling. Annual Review of Plant Biology, 2018. 69: p. 209-236.

3. Wu, F., et al., Hydrogen-peroxide sensor HPCA1 is an LRR receptor kinase in Arabidopsis. Nature, 2020.

4. Pei, Z.-M., et al., Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signalling in guard cells. Nature, 2000. 406(6797): p. 731-4.

5. He, Y., et al., Nitric oxide represses the Arabidopsis floral transition. Science, 2004. 305(5692): p. 1968-1971.

6. Han, S.C., et al., A cell surface receptor mediates extracellular Ca2+ sensing in guard cells. Nature, 2003. 425(6954): p. 196-200.

7. Jiang, Z.H., et al., Plant cell-surface GIPC sphingolipids sense salt to trigger Ca2+ influx. Nature, 2019. 572(7769): p. 341-346.

8.Yuan, F., et al., OSCA1 mediates osmotic-stress-evoked Ca2+ increases vital for osmosensing in Arabidopsis. Nature, 2014. 514: p. 367-371.

9.Kim, T.H., et al., Guard cell signal transduction network: advances in understanding abscisic acid, CO2, and Ca2+ signaling. Annual Review of Plant Biology, 2010. 61: p. 561-591.

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2032-3

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