擬南芥中應對硫脅迫的硫的逆向過程

　　長期以來，植物中的主要（次要）代謝途徑一直被認為是將主要代謝產物的前體轉化為具有生物活性終產物的一種途徑。然而，在環境刺激（如括營養脅迫條件）下，植物組織會出現內源性的終產物降解現象。因此，是否可以將專門的代謝物特別是富含氮和硫的代謝物重新整合到初級代謝中以回收投入其中的資源，對植物來說具有普遍意義。近期，國外研究團隊在PNAS上發表了題為“Retrograde sulfur flow from glucosinolates to cysteine in Arabidopsis thaliana”文章，探究了擬南芥中通過將富含硫的代謝物——硫代葡萄糖苷 (GLs)作為硫源將硫基團重新分配到初級代謝物（如擬南芥中的半胱氨酸）的過程。

　　圖 1

　　已有的報道顯示GL-黑芥子酶（BGLUs）系統具有潛在的硫重新分配作用（圖1A）。作者為了探究GLs類代謝物作為硫源的可能性，利用缺硫培養基培養擬南芥，結果顯示在缺硫培養基中加入GLs類物質使得其與有硫培養基上生長的擬南芥長勢基本一致（圖1BCD）。而且使用GLs培養的幼苗其初級硫代謝物（如半胱氨酸、谷胱甘肽）往往高于使用硫酸鹽培養的幼苗（圖1EF）。這些結果表明GLs可以作為硫源被植物利用。

　　圖 2

　　之后，作者使用同位素標記了4-甲基亞磺酰基-正丁基硫代葡萄糖苷（4MSB）中的S（圖2A）。當把擬南芥放在用同位素標記S的4MSB作為唯一S源的培養基中培養時，14天后，被同位素S標記的半胱氨酸、甲硫氨酸和谷胱甘肽分別占到了其總量的42%、28%和39%。表明外源施加的4MSB中的S被重新分配到了初級代謝中。

　　圖 3

　　作者進一步探究了GL水解產物中S所參與到的初級代謝途徑。在S1500培養基中培養8天的擬南芥中加入4MSB，其在24小時內完全消耗4MSB并且會伴隨著異硫氰酸酯（ITC）和蘿卜硫素（SFN）的短暫增加（圖3A）。進一步作者使用同位素標記的方法，并且結合各物質的化學結構，探究得到4MSB 水解后的下游途徑起始于SFN和GSH的結合，之后逐步裂解SFN-GSH中的Gly和γ-Glu殘基，最SFN-Cys環化生成4MSB-NH2和RA（圖3B）。

　　圖 4

　　隨后作者探究了RA是如何轉化成Cys等初級代謝產物，結合已有文獻報道作者認為RA可能通過硫氧交換反應釋放RA中的硫從而生成原半胱氨酸（pCys），之后通過OXP1生成Cys（圖4A）。進一步的實驗表明除了高背景水平外，在利用4MSB、RA和pCys處理后，oxp1-1突變體中的pCys積累量要大于野生型中的積累量（圖4BCDE）。另外，與pCys一起孵育的oxp1-1突變體蛋白提取物相比于 WT 其Cys的產生率更低，和5OP生成Glu的所得到的結果一致（圖4FG）。這些結果表明擬南芥的AtOXP1可以水解pCys，并且RA確實可能通過圖4A所示的途徑中產生Cys等初級代謝產物。

　　圖 5

　　除此之外，作者還探究了BGLUs的酶學特性，發現擬南芥的BGLU28蛋白相比于其他GLs對4MTB、芐基硫代葡萄糖苷和PhE的水解率更高（圖5A）；而擬南芥的TGG1蛋白以相似的速率水解所有類型的GLs（圖5B）。為了進一步探究擬南芥BGLU28和BGLU30的功能，作者對bglu28 bglu30雙重突變體在不同S條件下培養14天，發現突變體在S15或S0條件下，相比于野生型其生長受到了更嚴重的抑制（圖5CD）。另外，在這兩個條件下，野生型植株中的GLs基本都接近檢測極限，而突變體中的GLs的積累量明顯高于野生型（圖5E）。在雙重突變體中以4MTB作為硫源時，相比于野生型其生長受到抑制（圖1D和5F），并且MTB的積累量也大于野生型（圖5G）；當用PhE作為硫源時其受到抑制的現象更明顯（圖5FI）。這些結果表明BGLU28（和 BGLU30）是一種特殊的黑芥子酶，其可以水解特定的GLs，在植物生長的早期階段其對于硫缺乏的耐受性至關重要。

　　綜上所述，作者發現了植物通過終產物回收利用硫到初級代謝產物的過程，并且用一系列實驗證明了這個過程，為植物抵抗營養脅迫提供了一個相對完整的逆向代謝途徑。為后續進一步探究植物代謝過程和環境脅迫之間的關系提供了十分重要的理論基礎。