学院彭新湘团队在光呼吸H2O2信号波参与植物逆境响应机制方面取得新进展

近日，The Plant Journal在线发表了彭新湘研究员团队完成的题为“Wounding induces a peroxisomal H₂O₂ decrease via glycolate oxidase-catalase switch dependent on glutamate receptor-like channel-supported Ca²⁺ signaling in plants”的研究论文（论文连接https://doi.org/10.1111/tpj.16427）。

传统观点认为，H₂O₂信号受到其产生与清除系统的协同调节，但对其产生机制及生理功能至今尚未完全清楚。C₃植物中约70%的H₂O₂来源于光呼吸途径中乙醇酸氧化酶(GLO)的催化反应，团队的前期研究发现GLO与CAT（过氧化氢酶）存在互作且其互作/解离具有可逆性；在响应外部刺激时，GLO-CAT复合体可在不同状态间瞬时转换，进而通过改变二者间的物理距离调节CAT对H₂O₂的清除效率，最终诱发产生光呼吸H₂O₂信号波。这一物理开关的揭示增添了一种新的H₂O₂信号发生机制（图1）（Mol Plant，2016; Plant J，2022）。

图1 GLO-CAT分子开关调控H₂O₂信号波动产生 (Plant J, 2022)

本研究进一步表明此开关调控的光呼吸H₂O₂信号波在Ca²⁺信号的介导下与质外体来源的H₂O₂信号发生反向时空互作，参与植物机械损伤的快速系统响应（图2）。为应对各种环境胁迫，植物在长期进化过程中形成了较完善的系统防御/适应机制；植物局部组织对于环境胁迫的感知，如机械损伤，可迅速激活植物的系统信号转导机制，进而调节自身的生理状态和形态特征以更好地适应环境。Ca²⁺和H₂O₂作为重要的系统信号分子，在植物的系统防御/适应调节中处于核心地位，但二者交流对话的分子机制尚未完全了解。本研究采用药理、生化和遗传学等方法证明局部机械损伤可快速诱导系统叶片中GLO-CAT互作加强，从而导致光呼吸H₂O₂含量快速下降，同时与质外体H₂O₂含量升高形成反向时空互作。进一步证明了这种不同细胞区室的H₂O₂反向同步变化是由谷氨酸盐受体依赖的Ca²⁺波所介导。机理方面，当过氧化物酶体中的Ca²⁺含量升高后，以直接或间接方式对GLO-CAT互作及H₂O₂产生原位调节作用。该研究展示了一种新的H₂O₂系统信号时空及稳态调节机制，并为光呼吸H₂O₂信号在植物环境防御/适应中的功能提供新认知。

图2虚线左侧，GLR介导GC-H₂O₂含量下降；虚线右侧，GLR介导NADPH氧化酶来源的H₂O₂含量升高（Plant J, 2023）

学院博士后李向阳和硕士研究生陈琳茹为论文的共同第一作者，张智胜副研究员和彭新湘研究员为论文的共同通讯作者。以上研究得到国家重点研发计划（2020YFA0907600）、国家自然科学基金青年项目（32200205）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302006）以及中国博士后科学基金（2022M711206）的资助。