近日，The Plant Journal在线发表了彭新湘研究员团队完成的题为“Dynamic and fluctuating generation of hydrogen peroxide via photorespiratory metabolic channeling in plants”的研究论文（论文连接：https://doi.org/10.1111/tpj.16022）。
该研究通过构建GLO-CAT互作与H2O2含量波动同步可视化监测系统，首次在细胞及植株水平展示了过氧化物酶体中H2O2含量变化与GLO-CAT互作/解离状态的同步与偶联，同时证明该复合体中存在高效的H2O2物理代谢通道。这一物理性的GLO-CAT开关机制（GC-switch）向人们呈现了一种全新的H2O2信号发生机制，该机制在植物逆境适应过程中可能具有重要生理功能。张智胜副教授与彭新湘研究员为通讯作者，博士后李向阳为第一作者。
过氧化氢（H2O2）波动性发生受到其生成与清除过程的双向调控，但两者间相互协调的分子机制并不清楚。C3植物中约70%的H2O2来源于光呼吸途径乙醇酸氧化酶（GLO）所催化的乙醇酸氧化过程，这部分H2O2的波动变化在植物逆境响应中的作用正越来越受到关注。该团队前期研究发现GLO可与过氧化氢酶（CAT）发生相互作用，并且二者的互作可被水杨酸（SA）所抑制，这表明植物中GLO-CAT可能存在动态互作/解离过程，这一物理性动态过程可能调控光呼吸H2O2含量引发H2O2波动信号（Molecular Plant，2016）。随后进一步研究发现，GLO-CAT互作/解离调控的H2O2波动信号参与了植物IAA合成代谢的调控（BMC Plant Biology，2021）。然而GLO-CAT互作/解离动态变化在植物体内是否真实存在，该过程与H2O2波动信号之间的同步与偶联仍缺乏直接实验证据。
本研究进一步证实了GLO和CAT直接互作形成的复合体为弱互作蛋白复合体，通过构建可同步监测GLO-CAT互作/解离状态与H2O2含量的可视化荧光系统，在细胞及植株水平证实了GLO-CAT互作/解离状态的变化与过氧化物酶体中H2O2含量变化紧密同步，同时证明GLO-CAT复合体中存在高效的H2O2物理代谢通道。此外该研究还证实SA、H2O2、CO2以及光/暗变化均可诱导植株中GLO-CAT互作/解离状态发生快速可逆性变化并偶联着H2O2波动性发生。但该机制在相关生理过程中的具体生理功能及作用机制仍有待后续深入研究。
(Li et al., The Plant Journal, 2022). An improved model illustrating how the GC switch modulates dynamic and fluctuating generation of H2O2 in plants. The GC switch serves as a molecular switch. GC switch sensitively and dynamically respond to SA or other environmental stimuli via interconvertible interaction states (mainly three states: highly dissociated, intermediate, and highly interacted). Turning on/off of the switch creates peroxisomal H2O2 fluctuations via metabolic channeling. Such H2O2 dynamics may serve as signals for the known functions of photorespiratory H2O2.
文图/生命科学学院