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植物自噬在种子萌发、植物发育、激素反应、逆境胁迫、脂质代谢以及生殖发育等过程中均起重要作用【1】。进化过程中，基因重复现象使植物衍生出大量同源基因。近年来有研究表明，这些同源基因并非完全功能冗余，不同的同源基因对植物生长发育、面对环境应激、尤其是对内膜系统重塑的功能重要性逐渐被揭示出来【2，3】。最近的研究进一步证实了同源基因的功能特异性对植物自噬过程具有重要作用【4】。然而，对于植物自噬体的研究中，自噬体具体起源、形成、闭合、特别是自噬体的膜来源，还有许多问题亟待解决。
2021年4月21日，香港中文大学姜里文教授团队在PNAS在线发表了题为A unique AtSar1D-AtRabD2a nexus modulates autophagosome biogenesis in Arabidopsis thaliana的研究论文（曾咏伦博士为第一作者兼共同通讯作者）。该研究发现了一类全新的COPII（coat protein complex II）被膜小泡在逆境胁迫和营养缺失的情况下参与到植物自噬过程及其机制，为全面理解内膜系统参与自噬体形成，及植物同源基因的功能多样性提供了崭新的视角。
该研究发现，在应激和营养缺失的情况下，内膜系统形成了一类特有的COPII被膜小泡并参与了植物自噬体的形成过程。该研究首先通过免疫共沉淀与蛋白组学分析了在营养缺失情况下自噬重要蛋白ATG8及ATG6的互作蛋白组，并鉴定了大量的囊泡运输相关蛋白与自噬（ATG）蛋白相互作用。进一步的分析发现，ATG8与特异的COPII被膜小泡组分小G蛋白AtSar1d互作，该互作依赖于AtSar1d蛋白上非保守的ATG8互作结构域。通过活细胞成像，高压冷冻固定-电镜，及透射电子显微镜三维重构分析发现，AtSar1d阳性的COPII被膜小泡转运到了自噬体，而缺失AtSar1d的突变体中自噬体的形成受阻，并在细胞质中积累比正常大小偏小的自噬体（图1）。尽管在酵母和动物中，COPII被膜小泡在自噬体形成过程中扮演的重要角色已被逐步揭示，然而COPII被膜小泡如何在营养缺失的情况下被运输去自噬体而非高尔基体的机理仍未完全清楚。该研究进一步通过拟南芥原生质体系统筛选了负责囊泡运输和导向的小G蛋白家族Rab GTPase，并鉴定到植物特异蛋白AtRabD2a，该蛋白通过与ATG1蛋白复合体互作，介导了COPII被膜小泡到自噬体的运输。遗传分析证明，AtRabD2a突变体中自噬体的形成也受到了影响。
图1. 拟南芥AtSar1d突变中自噬体的形成受阻。在用自噬体诱导试剂SA类似物BTH和液泡型ATP酶（V-ATP酶）的特异性抑制剂ConcA处理下，自噬体在野生背景拟南芥中正常形成；而在AtSar1d突变体中，自噬体数目减少并且体积较小。
综上所述，有别于动物，植物利用同源基因的多样性参与了自噬体的形成。该研究为进一步研究同源基因在植物生长发育，环境应激及内膜系统重塑过程中的功能多样性奠定了基础。
曾咏伦博士，李白颖博士和季昶阳博士为论文的共同第一作者，曾咏伦博士及姜里文教授为论文的通讯作者并设计与指导了该课题。冯磊博士，牛芳芳博士，邓策思，陈帅博士，林尤舜博士，张质斌副教授，黄锦波教授及浙江农林大学沈锦波教授为共同作者。本课题得到国家自然科学基金和香港研究資助局等的资助。
参考文献
[1] S. Michaeli, G. Galili, P. Genschik, A. R. Fernie, T. Avin-Wittenberg, Autophagy in plants–What’s new on the menu? Trends Plant Sci . 21, 134–144 (2016).
[2] K. P. Chung, Y. Zeng, L. Jiang, COPII paralogs in plants: Functional redundancy or diversity? Trends Plant Sci. 21, 758–769 (2016).
[3] Y. Zeng et al., Unique COPII component AtSar1a/AtSec23a pair is required for the distinct function of protein ER export in Arabidopsis thaliana. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 14360–14365 (2015). [4] E. K. Zess et al., N-terminal β-strand underpins biochemical specialization of an ATG8 isoform. PLoS Biol. 17, e3000373 (2019).
论文链接：
https://www.pnas.org/content/118/17/e2021293118