Molecular Cell：河南大学刘文成团队揭示活性氧调控植物茉莉酸新机制

2026-06-02 10:42

上海

生命科学

2026年5月29日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Cell在线发表了题为"H2O2 sulfenylates GRF8 to facilitate jasmonate signaling by relieving MYC2 inhibition in Arabidopsis"的研究。该研究揭示了植物中活性氧（ROS）信号与茉莉酸（JA）激素信号交叉对话的全新分子机制：14-3-3蛋白GRF8通过与JA信号通路核心转录因子MYC2互作实现对茉莉酸信号的"刹车"作用，而过氧化氢（H2O2）通过对GRF8的氧化修饰解除这一抑制，从而激活植物JA响应。这一发现为理解植物如何平衡生长与防御提供了重要的理论依据。

该研究的通讯作者为河南大学生命科学学院/作物逆境适应与改良国家重点实验室刘文成教授，第一作者为河南大学与海南大学联合培养博士生宋如峰。

当植物进入生命周期的后期阶段（衰老），或遭遇环境胁迫时，它们会启动一系列精密的生理程序来适应内部或外部变化。其中，叶片衰老是植物发育的最后阶段，涉及营养物质的回收与再分配；而根系生长则直接决定植物对水分和养分的获取能力。这两个过程都受到植物激素和内源活性小分子的精细调控，茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）正是其中的关键调节因子。

JA作为一种脂质衍生的植物激素，在调控叶片衰老、抑制根伸长、激活植物免疫等方面发挥着重要作用。当JA水平升高时，植物会加速叶片黄化、促进衰老和免疫相关基因表达，同时抑制根尖细胞分裂，减缓根系伸长。然而，JA信号的持续激活会消耗大量能量，影响植物的正常生长和发育。因此，植物必须精确调控JA信号的“开”与“关”，这一调控的精密程度，直接决定了植物在多变环境中的适应能力。

ROS尤其是过氧化氢（H2O2）长期被认为是细胞代谢的副产品或毒性分子。但近些年研究发现，ROS对生命进化不可或缺，它们作为信号分子广泛参与动植物多种生命活动，包括植物生长发育、衰老、抗病和抗逆。然而，H2O2如何与JA信号"对话"、如何在分子层面精准调控激素响应，一直是植物科学领域的未解之谜。

为回答这一问题，河南大学的刘文成教授团队以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究对象，系统解析了H2O2调控JA信号的分子机制。研究发现，14-3-3蛋白GRF8是JA信号的关键负调控因子，它通过双重机制抑制JA信号核心转录因子MYC2的活性：一方面，GRF8直接结合MYC2并招募JAZ抑制蛋白，增强对MYC2转录活性的抑制作用；另一方面，GRF8与共激活因子MED25竞争结合MYC2，阻断MYC2的转录激活。

更为关键的是，当JA水平升高时，H2O2在GRF8蛋白的第103位半胱氨酸（Cys-103）上引入次磺酸化修饰（sulfenylation）。这一氧化修饰如同一把"分子钥匙"，精准削弱GRF8与MYC2的相互作用，释放MYC2的转录活性，从而激活JA信号。研究还发现，这一修饰位点在植物14-3-3家族中高度保守，暗示其可能是一种普遍的氧化还原调控机制。此外，研究揭示了"JA-H2O2-GRF8-MYC2"正反馈环路：MYC2抑制下游过氧化氢酶基因表达促进H2O2积累，更多H2O2进一步氧化GRF8，形成信号放大效应，确保植物能够快速、有效地启动衰老、生长和免疫重塑程序。

本研究不仅阐明了植物氧化还原信号与激素信号交叉对话的分子基础，也为作物产量和品质调控提供了潜在靶点：通过精准调控GRF8的稳定性或氧化修饰水平，有望实现叶片衰老时序和根系发育的可控调节，为培育高产、耐逆的作物新品种提供理论依据。

图1 研究内容示意图。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文共同通讯作者刘文成教授进行了专访，为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

您认为这项研究最重要的创新是什么？

刘文成教授：

这项研究的核心创新在于揭示了氧化还原修饰直接调控激素信号转录因子的全新机制。过去我们知道H2O2可以作为信号分子参与多种生理过程，但它如何精准调控特定激素响应的分子开关，一直缺乏清晰的认识。我们发现GRF8不仅是一个简单的抑制因子，它通过"双重刹车"机制：同时招募JAZ抑制蛋白和竞争MED25共激活因子，来精确控制MYC2的活性。而H2O2通过对单个半胱氨酸残基的氧化修饰，就能精准"解锁"这一抑制，这种调控的精细程度值得我们深入研究。此外，我们还发现这是一个正反馈调控环路：JA促进H2O2积累，H2O2氧化GRF8释放MYC2，MYC2又促进更多H2O2产生。这些复杂但精密的机制让植物能够在感知威胁后快速放大信号，确保防御响应的及时性和有效性。

CellPress：

这项研究是如何开始的？14-3-3蛋白家族在植物中有什么特殊之处？

刘文成教授：

14-3-3蛋白是一类在真核生物中高度保守的调控蛋白，就像细胞内的"分子适配器"，通过与靶蛋白结合来调控其活性、定位或稳定性。在植物中，14-3-3家族有14个成员，参与调控从生长发育到逆境响应的几乎所有生理过程。在我们早期的氧化修饰蛋白质组学中就注意到GRF8（14-3-3 κ）和它的同源蛋白GRF6（14-3-3 λ）。而后在筛选JA响应突变体时发现，grf6 grf8双突变体对JA异常敏感：根更短、叶片衰老得更快，提示它们可能是JA信号的负调控因子。结合上述两点，我们开展了探索性工作。但让我们惊讶的是，GRF8的作用机制与已知的JAZ蛋白完全不同：JAZ通过泛素化降解来解除抑制，而GRF8的蛋白水平不受JA调控，它是通过氧化还原修饰来实现可逆调控的。这些发现代表了一种全新的、更为灵活的调控模式。

CellPress：

Cys-103这个位点为什么这么关键？一个氨基酸的改变就能影响植物对激素的响应程度？

刘文成教授：

是的，这就是生物大分子进化的精妙之处。我们发现Cys-103对于GRF8与MYC2的相互作用是必需的，它的硫醇基团（-SH）像一只手"抓住"MYC2，维持两者的结合。当我们把Cys-103突变为丝氨酸（S）或丙氨酸（A）时，GRF8就完全失去了与MYC2的结合能力，突变植株表现出持续的JA超敏感表型：根更短、叶片衰老得更快。这说明这个位点是GRF8行使功能的结构基础。更有趣的是，这个位点具有"双重身份"：它的硫醇基团既是结构必需，又对氧化敏感。当H2O2水平升高时，-SH被氧化为次磺酸基（-SOH），就像这只"手"被烫了一下，松开了MYC2。这种"抓握-松开"的可逆调控，使Cys-103成为一个理想的氧化还原开关。我们还发现，Cys-103在所有14个拟南芥14-3-3蛋白以及多种作物的同源蛋白中都高度保守，暗示这种氧化还原调控可能不仅限于拟南芥和JA信号，也可能参与其他物种或激素信号的调控，具有更广泛的生物学意义。

CellPress：

这项研究对农业生产有什么潜在应用价值？

刘文成教授：

这项研究聚焦于叶片衰老和根系生长两个核心发育过程，以及它们如何被植物激素JA和活性氧ROS信号协同调控。叶片衰老是植物生命周期的最后阶段，看似是"走向死亡"的过程，实则是营养回收的关键环节：衰老叶片中的氮、磷等营养物质被拆解转运至种子或新生组织，直接影响作物的最终产量和品质。而根系作为植物的"地下工厂"，其发育状况直接决定了水分和矿质营养的吸收效率。我们发现，GRF8-JA-MYC2这一调控轴同时参与这两个过程：当GRF8功能缺失时，植物对JA过度敏感，表现为叶片提前黄化衰老、根系伸长受阻。而H2O2通过对GRF8的次磺酸化修饰，能够精准解除这种抑制，调节衰老和生长的节奏。在农业生产中，调控叶片衰老时序具有重要意义。例如，在小麦、玉米、水稻等作物中，适度延迟功能叶片的衰老可以延长光合作用时间，提高籽粒灌浆效率和最终产量。相反，在某些鲜食蔬菜或花卉中，延缓叶片衰老可以保持更好的商品性状。我们的研究为通过分子育种手段精准调控衰老进程提供了新的靶点基因。当然，从基础研究到实际应用还有很长的路要走，但这些可能性令人期待。我们目前正在探索将这些机制应用于作物分子设计育种，希望能为培育高产优质、环境友好的作物新种质提供理论支撑。

CellPress：

您的课题组长期关注活性氧（ROS）信号与植物逆境生物学。当初为什么选择这个方向？近年来取得了哪些进展？

刘文成教授：

河南大学逆境生物学实验室在植物活性氧领域具有传统优势，我所在的宋纯鹏教授团队是最早在国际上开展植物活性氧信号研究的团队之一，取得了一系列重大突破。于我个人而言，选择这个方向源于一个核心困惑：植物在正常生长发育或干旱、盐碱、极端温度等逆境下，细胞内都会源源不断的产生ROS，传统观点认为ROS是造成细胞氧化损伤的有毒副产品。但我们注意到，如果ROS真的只是"毒素"，为什么植物在进化中保留了如此复杂的ROS产生、清除和感受系统，而不是简单地把它们彻底消除？实际上，植物的生长、发育、衰老和环境响应，本质上都是资源分配决策。ROS作为代谢状态的"实时指示器"，能够迅速反映细胞内的生理生化进程和能量盈亏状况，并通过氧化修饰一些关键蛋白（如本研究中的GRF8）来调控植物发育或抗逆程序。更关键的是，ROS能够通过不同程度或可逆的氧化修饰来精准调控靶蛋白的功能，实现信号的精准传递与适时终止。例如，当叶片进入衰老期，光合效率下降，ROS产生增加，这反过来通过氧化修饰加速衰老进程，形成代谢-信号-发育的闭环调控。

近年来，我们课题组在ROS信号传导机制方面取得了一些进展：包括（1）H2O2氧化修饰烯醇化酶ENOLASE2诱导其入核，增强植物低温抗性（Developmental Cell, 2022; Nature Plants, 2026）；（2）H2O2氧化修饰色氨酸合成酶调节其活性和蛋白互作，协调生长素、茉莉酸和脱落酸代谢，平衡植物生长、免疫和胁迫抗性（Cell Host Microbe, 2017; Molecular Plant, 2022）；（3）发现热激转录因子HSFA1b具有腺苷酸环化酶活性并通过产生cAMP抑制蛋白激酶OST1，H2O2氧化修饰HSFA1b形成多聚体并入核，激活抗热基因表达并调控高温下的植物气孔开闭（Molecular Plant, 2025）；（4）H2O2氧化修饰PGLP1调节植物光呼吸强度和耐热性（Plant Communications, 2024）。（5）H2O2氧化修饰CYP77A4平衡脂肪酸代谢和ROS产生，控制植物种子萌发（New Phytologist, 2023）；（6）发现中介体成员CycC1;1通过WRKY75负调控SOS1表达和植物耐盐，而ARF7/19通过识别SOS1编码区的特殊转录识别位点正调控SOS1表达和植物耐盐（Plant Cell, 2023；Developmental Cell, 2025）。这些工作将ROS信号与植物发育和逆境适应等过程联系起来，揭示了植物氧化还原信号的新机制。目前，我们的研究正从单一胁迫向多重胁迫交叉拓展，探索ROS如何在复杂环境信号整合中发挥核心作用。希望这些基础发现最终能转化为抗逆高产作物的育种策略，为应对全球气候变化下的农业挑战提供科学支撑。

作者介绍

刘文成

教授

刘文成，河南大学教授、博导，研究方向：植物活性氧信号、植物逆境响应分子机制。

PI主页：https://bio.henu.edu.cn/info/1077/4191.htm