进化线索：非种子植物中乙烯前体ACC具有独立功能

来源：BioArt植物

随着对植物激素功能研究的不断深入，研究者发现，激素的工作模式或许是更为精巧和灵活的。常见植物激素的前体可能有也具有生物学活性，可以独立地作为信号分子，参与相关的生物学过程。如，水稻中曾报道茉莉酸前体12-氧植物二烯酸（OPDA）可以独立于茉莉酸途径，激活防御信号，抵御刺吸式昆虫的入侵【1】。

1-氨基环丙基-1-羧酸（ACC）是乙烯的直接前体，由ACC合成酶ACS从S-腺苷甲硫氨酸转化而来，再经ACC氧化酶ACO氧化生成乙烯【2】。拟南芥中，CTR1是乙烯信号转导通路的负调因子，与受体结合，磷酸化EIN2，磷酸化状态下的EIN2被降解，抑制乙烯信号途径。乙烯与受体结合后，CTR1失活，去磷酸化状态的EIN2可稳定正调转录因子EIN3，EIN3进一步激活下游的乙烯相关转录因子，如ERF1，放大乙烯信号【3】。2020年8月4日，美国马里兰大学Caren Chang课题组报道了拟南芥中ACC可独立于乙烯途径，通过激活类谷氨酸受体（Glutamate Receptor-Like，GLR）,诱导胞内钙离子浓度，并促进花粉管吸引分子LURE1.2的分泌，从而参与授粉和种子形成的过程(点击查看：Nature Comm. | 乙烯前体ACC可能是一种新型激素信号分子)。有趣的是，相比于种子植物，非种子植物中缺失ACC氧化酶ACO的同源基因，但ACC合成酶ACS的同源基因却是存在的。然而，非种子植物中ACC的功能仍不清楚。

近日，Caren Chang课题组与澳大利亚莫纳什大学John L. Bowman 在Nature Plants上再次跟进发表了题为Ethylene-independent functions of the ethylene precursor ACC in Marchantia polymorpha的研究论文，证实了非种子植物地钱（Marchantia polymorpha）中ACC独立于乙烯信号，诱导不同的生长反应，影响芽孢的形成与休眠，并可能是一个古老的信号通路。研究结果再次证明ACC可能是植物中一个新的信号分子。

该研究系统鉴定了地钱基因组中的三个乙烯受体同源基因MpETR1、MpETR2和MpETR3，乙烯信号通路组分的直系同源基因MpCTR1、MpEIN2、MpEIN3，和MpERF1，以及两个ACC合成酶MpACS1和MpACS2，同时通过CRISPR-Cas9技术构建了这些基因相应的突变体。

该研究验证了乙烯在地钱中的生理功能。乙烯处理后，地钱植株增大，芽孢增多增大，未休眠芽孢的比率降低。MpCTR1的突变体表现出较野生型芽孢增大，芽孢休眠率增加。MpEIN3的突变体则对乙烯处理不敏感，植株、芽孢变小，休眠率降低，乙烯抑制剂处理野生型地钱，可观察到类似的表型。此外Mpein3还表现出假根变短、边缘和芽孢颜色变浅的表型。这两个突变体中内源乙烯的合成下降，证实了地钱乙烯信号通路是保守的。碘化丙锭（PI）染色显示Mpein3突变体的芽孢表皮细胞减少且变小，叶状体假根前体细胞的数量和细胞层数也明显减少。这些结果证明乙烯可促进地钱细胞的分裂和扩增。

Mpctr1- and Mpein3-knockout mutants display constitutive ethylene responses and ethylene insensitivity, respectively.

与拟南芥不同的是，外源ACC很难诱导地钱中产生乙烯。另外，与乙烯的作用相反，ACC处理能明显抑制地钱叶状体的生长，乙烯抑制剂MCP可以增强ACC的抑制作用。ACC也会抑制芽孢和芽孢杯的发育，去除ACC可以恢复生长抑制作用。PI染色显示ACC减少了地钱中芽孢表皮细胞的数目，但不影响细胞大小。由此可见，地钱中ACC可部分拮抗乙烯信号。

 ACC treatment inhibits plant growth and reduces gemma epidermal cell number.

进一步发现，ACC合成酶Mpacs1和Mpacs2突变体中内源ACC的含量明显减少，双突变中内源乙烯的含量约为野生型的60%。结果暗示了地钱中的乙烯合成存在依赖于ACC与不依赖ACC的两种途径。Mpacs1和Mpacs2的单突变体和双突变体均出现乙烯信号减弱、芽孢杯数量增多、芽孢杯变大、叶庄分枝变宽。有意思的是，Mpacs2突变体和Mpacs1Mpacs2双突变体中部分芽孢缺口出现变形，顶端缺口变多，而乙烯信号突变体中并没有观察到此类表型。这表明ACC独立于乙烯信号途径改变分生组织形成模式，影响芽孢的发育。这一过程可能与生长素信号有关。

Single and double Mpacs1- and Mpacs2-knockout mutants have reduced ACC levels, abnormal thallus shape, increased gemma non-dormancy and apical notch defects.

综上所述，该研究揭示了ACC信号独立于乙烯信号，以不同的途径调控地钱芽孢的发育与休眠。同时，ACC信号途径的形成可能早于种子植物ACC转化的乙烯形成。这一研究为非种子植物向种子植物进化过程提供了更多证据与参考。

参考文献

1 Guo, H.-M., Li, H.-C., Zhou, S.-R., Xue, H.-W. & Miao, X.-X. Cis-12-oxo-phytodienoic acid stimulates rice defense response to a piercing-sucking insect. Molecular Plant 7, 1683-1692 (2014).

2  Wang, K. L.-C., Li, H. & Ecker, J. R. Ethylene biosynthesis and signaling networks. The plant cell 14, S131-S151 (2002).

3 Merchante, C., Alonso, J. M. & Stepanova, A. N. Ethylene signaling: simple ligand, complex regulation. Current Opinion in Plant Biology 16, 554-560 (2013).