植物在生長發育的過程中，會向環境釋放一系列的代謝産物，從而引起植物間相互排斥或促進的現象，被稱為植物化感作用¹。早在2300多年前植物學作為一門學科建立之初，亞裡士多德的學生、“植物學之父”提奧弗拉斯特就觀察到化感作用²。在化感植物分泌的代謝物質中，以水楊酸 (Salicylic Acid，SA) 為代表的酚酸物質以其抑制植物生長著稱³。但是植物是如何感知結構多樣的酚酸，從而介導物種之間的競争是半個多世紀以來一個懸而未決的重大科學問題。

2023年8月28日，beat365官方网站、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、生命科學聯合中心王偉課題組，在《Nature Plants》以兩倍長文篇幅發表題為“Phenolic acid-induced phase separation and translation inhibition mediate plant interspecific competition”的研究論文，報道了酚酸通過應激顆粒和蛋白相變來抑制翻譯從而調控種間競争的新機制。《Nature Plants》同期也刊登了對本研究的評述文章。

為了探究酚酸抑制植物生長的機理，作者首先發現酚酸可以促進poly(A)⁺ RNA和蛋白在植物根部聚集形成無膜包裹的細胞器—應激顆粒 (Stress Granules, SG)，并且抑制植物根部的整體翻譯水平。SG是由未翻譯的mRNA和蛋白質組成的生物大分子凝聚物，在脅迫條件下，通過抑制細胞的翻譯水平來協調細胞中的能量分配，從而提高細胞的脅迫耐受性⁴。作者提出酚酸主要是通過誘導SG的形成，抑制植物整體翻譯水平，從而抑制植物生長的模型。

為了進一步探索酚酸是如何被感應并調控SG的形成，作者對拟南芥中與人類RNA結合蛋白 TIA1 同源的RBP47B蛋白進行分析發現，RBP47B蛋白的液-液相分離能力是驅動SG形成和響應酚酸的關鍵。此外，體外相分離濁度實驗及微量熱泳動等實驗，表明酚酸可以通過結合RBP47B蛋白，降低其液液相分離阈值，最終促進其液液相分離從而形成應激顆。

作者通過對拟南芥野生型和rbp47abcc’四重突變體中SG的組分進行質譜鑒定分析，發現SG招募大量的調控翻譯元件，其中包括依賴RBP47家族蛋白的核糖體大小亞基。随後的共定位和熒光漂白恢複實驗表明這些核糖體亞基進入SG後，會降低SG的流動性，從而導緻這些核糖體被進一步隔離在SG中，從而抑制翻譯。最後, 針對rbp47abcc’四重突變體的表型實驗證實了RBP47家族蛋白是響應酚酸抑制翻譯和生長的關鍵信号因子。

在該研究中，作者結合基于正交化學的非典型氨基酸标記技術以及ELISA檢測，開發出了BONCATE技術用于對植物細胞的整體翻譯效率進行實時定量分析。相比于現有的SUnSET技術和多聚核糖體圖譜方法，BONCATE技術具有細胞毒性小、通量高、特異性好、動态範圍廣等優勢。

綜上所述，這項研究揭示了酚酸通過RBP47B蛋白感知信号從而抑制種間生長的作用機理，提出了酚酸結合并促進RBP47B相變形成SG來抑制翻譯和植物生長的模型。該研究一方面揭示了SA通過調控翻譯抑制植物生長的新機制，另一方面為今後在植物蛋白相分離和SG領域的相關研究提供了理論基礎和技術依據。目前，除了具有化感作用的作物可以分泌酚酸，農作物稭稈在發酵後的代謝物質中也含有大量酚酸，因此該研究也将為農業生産中農作物稭稈還田應用提供指導。

模式圖：酚酸通過RBP47B蛋白感知信号從而抑制植物生長

北京大學、生命科學聯合中心王偉研究員和首都師範大學周冕教授為論文共同通訊作者。北京大學海外交流引進博士後謝周麗、博士後趙帥和李瑩為共同第一作者。該研究得到蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、國家自然科學基金、beat365官方网站、生命科學聯合中心、海外交流引進博士後項目的資助。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01499-6

參考文獻

1. Rice, E. L. Biological control of weeds and plant diseases: advances in applied allelopathy.  (University of Oklahoma Press, 1995).

2.  Culpeper, N. Culpeper's complete herbal & english physician.  (Applewood Books, 2006).

3. Li, J. Y. et al. Phenolic acids and terpenoids in the soils of different weed-suppressive circles of allelopathic rice. Arch Agron Soil Sci 66, 266-278, doi:10.1080/03650340.2019.1610560 (2020).

4. Protter, D. S. & Parker, R. Principles and Properties of Stress Granules. Trends in cell biology 26, 668-679, doi:10.1016/j.tcb.2016.05.004 (2016).