Science：热精胺靶向甲基化核糖体，从而控制植物木质木质部和肉质组织的平衡

科学家们已经识别出一个关键机制，该机制使植物能够塑造其维管系统，决定它们是生长出柔软的食用储藏器官，还是发育出树木特有的坚硬木质组织。这项由剑桥大学和赫尔辛基大学领导的研究发表在《科学》杂志上，揭示了引导木质部形成的调控动态，为植物如何构建结构组织和储藏组织提供了新见解。

理解植物如何微调其维管发育，为未来旨在优化对农业和林业至关重要的生长性状（包括生产具有商业价值的材料，如木材、纸张、可食用根和生物产品）的工作开辟了一条有希望的途径。

植物已经进化出多种信号分子，它们协同工作，构建出一个延伸至整个植物体的维管系统结构。这种维管发育通过在各个步骤调整信号输入来精心微调，有助于决定植物产生更多的导水细胞还是更多的储藏细胞。

植物可以在这些生长优先级之间切换，因为它们的导水木质部组织由两种不同的细胞类型组成：（1）具有加厚的、富含木质素的次生细胞壁的导管细胞，允许水快速移动，以及（2）具有薄的初生细胞壁的薄壁细胞，用于储藏水和淀粉等养分。

为了揭示植物如何微调这些细胞类型之间的平衡，来自剑桥大学和赫尔辛基大学Ykä Helariutta教授实验室的研究人员研究了模式植物拟南芥中的一个单拷贝基因突变体，称为overachiever (ovac)，该突变体以牺牲薄壁细胞为代价产生过多的导管细胞。

研究团队识别出OVAC基因是一种rRNA甲基转移酶，负责拟南芥中25S rRNA肽基转移酶中心内特定的m3U2952碱基修饰。然后，他们聚焦于热精胺（thermospermine），一种已知通过增加SAC51转录因子的翻译来调节导管分化的小型带正电荷多胺分子，而SAC51转录因子反过来抑制木质部导管的起始。

"目前尚不清楚这种翻译调控是如何工作的，以及它是如何被调整的。"共同第一作者、剑桥大学塞恩斯伯里实验室的Donghwi Ko博士说。"我们也知道多胺通过结合核糖体RNA与核糖体相互作用，因此我们想探索这一方面。"

核糖体作为信号传感器

研究人员发现，热精胺结合到甲基化的核糖体上，使核糖体充当信号传感器，促进SAC51的翻译。

核糖体是蛋白质工厂，它们经常与热精胺等多胺相互作用并结合。然而，尽管核糖体结合的多胺在多种生物过程中发挥作用，包括调节细胞增殖、分化、自噬和衰老，但至今尚未发现其特定的细胞功能。

来自剑桥医学研究所Alan Warren教授实验室和南丹麦大学Finn Kirpekar副教授实验室的研究人员深入分析了拟南芥核糖体的化学修饰和结构生物学，以可视化正在发生的事情。

"甲基化位点位于核糖体的肽基转移酶中心，肽键可在此被催化。这种修饰使得热精胺能够结合在同一位置，桥接翻译调控的关键组分。"共同第一作者、剑桥医学研究所的Alexandre Faille博士说。

植物如何控制肉质和木质组织生长

热精胺需要核糖体的m3U2952修饰才能实现其双功能翻译调控。在野生型植物中，OVAC基因可以甲基化核糖体。有了这种特异性甲基化和热精胺的存在，SACLs可以被翻译，但LHW不能。这种机制在ovac突变体中被破坏，其中SACLs不被翻译，但LHW仍然可以被翻译。图片来源：Donghwi Ko

进一步研究的结果是，他们发现热精胺结合到甲基化的核糖体上会影响第二个调节维管发育的转录因子LHW，该因子会增加导管的起始。热精胺抑制了LHW。

"当野生型植物中SAC51和LHW的翻译受到热精胺调控时，导管和薄壁细胞之间就建立了正常的平衡。"共同第一作者、剑桥大学塞恩斯伯里实验室的Eva Hellmann博士说。

"然而，在突变体中，热精胺不能稳定地结合到非甲基化的核糖体上，阻止了这种调控，并允许高水平的LHW翻译，从而破坏了正常的维管模式。"

该研究得出结论，热精胺以不同方式调节这两个转录因子。它是SAC51和LHW的双功能翻译调节因子，但其双功能调节需要特定的甲基化m3U2952。它通过促进SACLs的翻译同时抑制LHW的翻译来发挥作用。

"这项研究揭示了植物如何微调维管发育以决定其维管细胞的命运。"共同第一作者、赫尔辛基大学的Raili Ruonala博士说。"这些发现有可能影响植物的性状，从抗旱性到粮食作物的根/块茎生长，以及木材形成。"

虽然这项研究是使用模式植物拟南芥进行的，但它表明相同的信号可能也在其他植物中发生。例如，在树木中，这些信号可能被调整以产生大量的导水导管以支持高大生长。在萝卜中，同样的信号可能被调整以促进根部的储藏细胞，使植物能够储存更多能量。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Donghwi Ko et al, Recruitment of bifunctional regulator thermospermine to methylated ribosomes directs xylem fate, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adx2867.