Cell子刊-植物激素對(duì)線粒體蛋白毒性應(yīng)激的響應(yīng)詳解

引言：植物激素（Phytohormone）亦稱植物天然激素或植物內(nèi)源激素，是指植物體內(nèi)產(chǎn)生的一些微量而能調(diào)節(jié)（促進(jìn)、抑制）自身生理過程的有機(jī)化合物。植物激素對(duì)植物的生長發(fā)育有重要的調(diào)控作用，包括從影響細(xì)胞的分裂、伸長、分化到影響植物發(fā)芽、生根、開花、結(jié)實(shí)、性別決定、休眠和脫落等。線粒體是細(xì)胞生命活動(dòng)的能量工廠，是幾乎所有真核生物都存在的一種細(xì)胞器，同時(shí)在促進(jìn)植物生長發(fā)育方面發(fā)揮著重要作用。它的主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化 (OXPHOS) 合成 ATP，對(duì)維持生物體正常生理功能至關(guān)重要。當(dāng)參與氧化磷酸化的蛋白質(zhì)復(fù)合體發(fā)生化學(xué)計(jì)量失衡時(shí)，線粒體容易受到蛋白質(zhì)毒性壓力。已知這種蛋白毒性應(yīng)激會(huì)在動(dòng)物中誘導(dǎo)線粒體發(fā)生未折疊蛋白反應(yīng) (Mitochondrial Unfolded Protein Response, UPRmt)。但尚不清楚 UPRmt 是否存在于植物中以及植物激素是否參與調(diào)控了線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。

應(yīng)用案例：Cell子刊 | 植物激素對(duì)線粒體蛋白毒性應(yīng)激的響應(yīng)

摘要：線粒體功能由兩個(gè)獨(dú)立的基因組控制。當(dāng)執(zhí)行氧化磷酸化的蛋白質(zhì)復(fù)合物（由細(xì)胞核和線粒體編碼的蛋白質(zhì)組成）發(fā)生化學(xué)計(jì)量失衡時(shí)，這一特征使線粒體容易受到蛋白質(zhì)毒性壓力。已知這種蛋白毒性應(yīng)激會(huì)在動(dòng)物中誘導(dǎo)線粒體未折疊蛋白反應(yīng) (UPRmt)。尚不清楚 UPRmt 是否存在于植物中。在這里，作者通過化學(xué)或遺傳干擾在擬南芥中誘導(dǎo)了線粒體核蛋白失衡，引起線粒體蛋白毒性應(yīng)激，激活了植物特異性 UPRmt 并損害了植物的生長和發(fā)育。植物 UPRmt 通路由短暫的氧化爆發(fā)觸發(fā)，激活 MAPK 和激素（涉及乙烯和生長素）信號(hào)傳導(dǎo)，這些信號(hào)都旨在修復(fù)線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。這也將植物激素確定為真正的植物線粒體因子，植物激素信號(hào)傳導(dǎo)是調(diào)節(jié)線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要介質(zhì)。

結(jié)果：mrpl1-1, mrpl1-3 (mitochondrial ribosomal protein L1, MRPL) 是擬南介線粒體核糖體蛋白 L1突變體，與野生型相比，突變體葉片整體OCR顯著降低；Dox是線粒體蛋白翻譯抑制劑強(qiáng)力霉素，野生型經(jīng)Dox處理后，其線粒體整體OCR顯著降低，復(fù)合體 I 呼吸能力也顯著降低；ACC是乙烯前體，Ag是銀離子，野生型分別經(jīng)ACC和Ag處理后，只有ACC處理后其線粒體整體OCR顯著升高，復(fù)合體 I 呼吸能力也顯著升高。以上數(shù)據(jù)表明：擬南芥MRPL1 功能喪失或Dox藥物干擾引起線粒體翻譯受損，降低復(fù)合體 I 呼吸能力和整體呼吸能力，乙烯能夠通過其信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，提高復(fù)合體 I 呼吸能力和整體呼吸能力。

參考文獻(xiàn)：Systems Phytohormone Responses to Mitochondrial Proteotoxic Stress. Wang X, Auwerx J. Mol Cell. 2017 Nov 2;68(3):540-551.e5.

植物研究為什么要關(guān)注線粒體？

“生命只在呼吸之間”。植物線粒體是植物呼吸作用中三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化的場所，其參與的生命活動(dòng)過程在植物初級(jí)代謝中發(fā)揮核心作用，為機(jī)體提供了95%以上的能量。不僅如此，植物線粒體還參與了諸如細(xì)胞凋亡、氧化還原電位調(diào)節(jié)、電解質(zhì)平衡和信號(hào)傳導(dǎo)等重要生命活動(dòng)。植物線粒體功能容易受到多種應(yīng)激條件的影響，例如氧化脅迫、熱脅迫和生物脅迫等，其功能障礙如何影響植物生長的機(jī)制仍然未知，所以深入探究植物線粒體的功能具有重要的生物學(xué)意義，將直接影響植物的生長、發(fā)育等生命活動(dòng)，并且可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，例如作物產(chǎn)量的提高及農(nóng)產(chǎn)品的貯存等。

植物線粒體氧化磷酸化功能評(píng)估為植物研究帶來的重要參考

線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）系統(tǒng)是線粒體能量代謝的中心，是真核細(xì)胞能量產(chǎn)生的關(guān)鍵。支持OXPHOS系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的是電子傳遞鏈（ETC）的上五種酶復(fù)合體：復(fù)合體I、復(fù)合體II、復(fù)合體III和復(fù)合體IV，由復(fù)合體I-IV生成的質(zhì)子梯度隨后被復(fù)合體V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系統(tǒng)中任何一個(gè)復(fù)合體發(fā)生異�；蚬δ苷系K，都會(huì)ji易導(dǎo)致線粒體發(fā)生功能障礙，因此通過檢測OXPHOS系統(tǒng)各復(fù)合體功能活性來評(píng)估線粒體氧化磷酸化功能，將為深入研究植物線粒體功能帶來重要參考，但如何快速檢測分析OXPHOS各復(fù)合體的功能活性，是評(píng)估線粒體氧化磷酸化功能的技術(shù)難點(diǎn)。目前對(duì)OXPHOS各復(fù)合體的功能活性的檢測，主要是采用比色法，操作時(shí)間長，步驟多，只能對(duì)單個(gè)復(fù)合體功能活性進(jìn)行終點(diǎn)法的檢測分析，無法一次性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測分析同一樣本各復(fù)合體功能活性。

Oroboros O2k 一次性同時(shí)快速檢測線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體的功能活性的技術(shù)特點(diǎn)

Oroboros O2k提供了一種獨(dú)特的SUIT（底物-解偶聯(lián)劑-抑制劑-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）檢測方案來檢測線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體的功能活性。Oroboros O2k沒有加藥孔的限制，也沒有試劑盒的限制，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活的無限制的添加底物、抑制劑、解偶聯(lián)劑及不同濃度的藥物滴定，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)樣本一次性快速進(jìn)行復(fù)合體I、復(fù)合體II、復(fù)合體IV、zui大呼吸率、ATP合酶的功能活性檢測，深度挖掘線粒體能量代謝信息，快速評(píng)估和表征線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體功能活性，從而助力植物研究。

奧地利OROBOROS O2k光電聯(lián)合多維度能量代謝檢測整體解決方案

1、光電聯(lián)合多參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)：

電化學(xué)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測模塊：pO2（高分辨率極譜氧電極傳感器，耗氧率檢測分辨率為±1 pmol O₂∙s-¹∙mL-¹）、pH、H2O2、TPP+（測量線粒體膜電位）、H2S、NO、質(zhì)體醌；熒光實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測模塊：MMP（測量線粒體膜電位）、ATP、Ca2+、ROS、NADH；

2、擁有原代細(xì)胞、原代組織能量代謝快速檢測技術(shù)：

無需過夜培養(yǎng)、樣品快速檢測，更加客觀反應(yīng)樣品更接近體內(nèi)的能量代謝水平；

3、擁有多維度能量代謝分析平臺(tái)：

適應(yīng)線粒體、細(xì)胞、組織塊、活檢樣品等不同層次不同水平的樣本檢測。