南京师范大学黄晓华教授团队在稀土元素化学生物学研究中取得突破性进展

南京师范大学化学与材料科学学院黄晓华教授（点击查看介绍）课题组与福建农林大学海峡联合研究院杨贞标教授（点击查看介绍）等合作，近日在《自然通讯》（Nature Communications）上发表题为“La(III)触发植物依赖AtrbohD与茉莉酸的系统胞吞作用[Lanthanum(III) triggers AtrbohD- and jasmonic acid-dependent systemic endocytosis in plants]”研究论文。该研究首次发现并证明生命体存在着系统胞吞作用，并使“叶施稀土元素如何影响植物整体生长”这一百年难题的破解取得突破性的进展。

胞吞作用这一细胞质膜内陷而形成包裹囊泡的行为，正在如今地球上纷繁复杂的高等植物、动物和微生物等所有真核生物的细胞中悄无声息地进行，肩负着执行细胞与外界物质交换、能量交换、信息交换等基础关键功能的重任。因此，胞吞作用在高等生命体的生长发育和繁衍生息中起着至关重要的作用。在不同真核生物细胞中，胞吞作用的活跃程度不尽相同。相对于动物体内大部分器官细胞具有胞吞作用以维持重要生理生化活动，植物叶作为植物与地上环境接触的主要器官，其细胞在长期进化过程中形成了胞吞作用惰性的规则。这一规则，成为有效阻挡外源非必需和有害物质进入叶细胞的屏障，保护着植物在充满非必需和有害物质的环境中生生不息地构建出万紫千红的世界。

元素周期表中的17种稀土元素 (REEs) 正被广泛应用于工业、农业、国防、能源、医学等多领域。美国地质调查局统计结果显示，全球每年REEs需求量在过去的三十年已增长约400%。由此带来了严重的环境生态问题：REEs已在大气、土壤、水源中广泛累积，且已随食物链(网)进入生命体中，危害生命体健康。例如，长期暴露于低剂量REEs会导致动物呼吸系统、消化系统等多器官的损伤，甚至造成动物的死亡。尤其临床医学研究发现，人体内长期低剂量REEs作用，会引发人体肾源性系统纤维化、血脑屏障崩溃、阿尔兹海默症和帕金森氏症等疾病发生 (Nat. Rev. Neurol., 2018, 14, 133; Nat. Rev. Neurol., 2018, 14, 75)。因此，要阻止REEs进入生态系统进而危害动植物的安全，必须像对待镉等有害元素一样，设立其在生态系统中的限量标准。

植物是生态系统的初级生产者，叶是植物进行光合作用的器官，是植物为生态系统食物链(网)中的动物和人类等其它生命体提供氧气、物质、能量等生存必需要素的重要场所。因此，首先阐明REEs的植物生物效应及其细胞化学机制，设立REEs在植物中的限量标准十分必要。自1917年人类首次发现REEs具有植物生物效应以来，大量研究和数十年的农业实践不断证实：低剂量REEs喷于叶，可促进根至叶的营养元素含量增加及植物整体生长的系统响应；随着REEs剂量升高，其对植物整体生长呈现抑制和伤害却不断增强。然而，REEs作用于叶的细胞化学过程及其机理一直不清楚。因植物细胞存在细胞壁及细胞质膜外酸性环境(pH4.4-5.5)，严重阻碍了REEs植物细胞化学行为的可视化研究及其机理揭示。黄晓华教授团队在前期研究中，利用放射性三价REEs [REE(III)，包括镧¹⁴⁰La(III)、铈¹⁴¹Ce(III)和铽¹⁶⁰Tb(III)]植物体自示踪技术与多学科交叉研究方法结合，研究发现：作用于叶的REE(III)能打破植物叶胞吞惰性的进化规则而激活叶细胞胞吞作用 (PNAS, 2014, 111, 12936-12941)；其中，La(III)作用于叶细胞质膜上阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)与质膜内适配体(AP2)形成La(III)-AGP-AP2复合物，而激活(启动)了叶铺板细胞网格蛋白(Clathrin)介导的胞吞作用(CME) (即AP2-Clathrin途径) (PNAS, 2019, 116, 14349-14357)。然而，REE(III)激活(启动)叶细胞CME (AP2-Clathrin途径)是如何影响根营养元素含量及其植物整体生长的系统响应，依然未知。作用于叶的REE(III)是否通过加速了根细胞的胞吞作用这一细胞快速、大量吸收外源物质的行为，继而增强根细胞对营养营养元素的吸收？目前细胞生物学研究从未发现真核生物中存在某一器官细胞胞吞作用的激活能引发其它器官胞吞作用激活的现象，即未发现生命体中存在系统性胞吞作用的信号转导现象。

近期，该团队以La(III)为REE(III)的代表，利用化学生物学等跨学科方法及技术，如细胞内非放射性La(III)自示踪定位、相关生物分子荧光标记等原位分子检测、构建关键分子的基因突变体和转基因植株、嫁接技术、细胞化学抑制、转录水平测定、细胞金属组学分析等研究发现，低剂量La(III)作用于叶而激活(诱导)叶细胞CME (AP2-Clathrin途径)后，将叶细胞CME信号长距离地转导至根，增强了根细胞中AP2-Clathrin途径的CME (图1)。这一结果，首次发现并证明生命体中存在系统性胞吞作用。与此同时，可激活植物CME的鞭毛蛋白衍生肽flg22，能诱导叶至根细胞的系统CME，证明系统胞吞作用可普遍存在于生命体中。

是何种信号分子将La(III)激活叶细胞CME的信号长距离地转导至根？研究人员进一步研究发现，La(III)激活叶细胞CME后，触发了AtrbohD (一种产生ROS的NADPH氧化酶)和茉莉酸(JA)协同作用，使被激活的叶细胞CME信号长距离地转导至根，诱导了根细胞中CME (AP2-Clathrin途径)的增强。并研究表明，根中CME (AP2-Clathrin途径)的增强，使大量营养元素可通过此途径被吸收并输送至植物各器官而促进其整体生长的系统响应(图2)。该研究结果，破解了“REE(III)作用于植物局部如何引发植物整体的系统性响应”这一百年难题，也为生命体中胞吞作用的研究带来突破性的认知。

图1. La(III)诱导植物系统性胞吞作用示意图。图片来源：Nat. Commun.

图2. La(III)触发植物依赖AtrbohD与茉莉酸的系统胞吞作用模式。图片来源：Nat. Commun.

南京师范大学化学与材料科学学院博士研究生程梦竹和博士后王丽红 (现江南大学副教授) 为论文的共同第一作者，南京师范大学黄晓华教授和福建农林大学杨贞标教授为共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金(批准号：21977051、21371100、21501068、31170477)、高等学校博士学科点专项科研基金、江苏高校优势学科建设工程项目的经费资助。

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Lanthanum(III) triggers AtrbohD- and jasmonic acid-dependent systemic endocytosis in plants

Mengzhu Cheng, Lihong Wang, Qing Zhou, Daiyin Chao, Shingo Nagawa, Ding He, Jiazhi Zhang, Hui Li, Li Tan, Zhenhong Gu, Xiaohua Huang & Zhenbiao Yang 

Nat. Commun., 2021, 12, 4327, DOI: 10.1038/s41467-021-24379-z

导师介绍

黄晓华

https://www.x-mol.com/university/faculty/11744 

杨贞标

https://www.x-mol.com/university/faculty/278797