2024大咖综述｜我们目前对植物自噬作用的理解和最新进展，新的农业干预思路

植物中的自噬调控网络

编码自噬机制的核心基因，称为 ATG（自噬相关）基因，最初在酵母中鉴定出来，并在整个真核生物中高度保守，包括植物。自噬在 ATG1 激酶复合物激活后启动，该复合物由 ATG1 催化亚基以及其他 ATG13、ATG11 和 ATG101 亚基组成，这些亚基磷酸化并激活下游自噬组分。磷脂酰肌醇 3-激酶复合物（PI3K）在吞噬体上产生磷脂酰肌醇 3-磷酸（PI3P），募集包括 ATG18 的 PI3P 结合蛋白。吞噬体的扩展和成熟需要脂质交换酶 ATG9 和脂质转移蛋白 ATG2 提供脂质，以及两个泛素样结合级联，最终将泛素相关蛋白 ATG8 与磷脂酰乙醇胺（PE）缀合在自噬体膜上。自噬途径在控制发育、应激反应和细胞死亡方面的关键作用需要对自噬活性进行严格的控制，以响应环境和激素的提示。这种调节最明显的是通过自噬核心机制的翻译后修饰，尽管在许多条件下 ATG 基因的转录调节也很重要。

植物基因组包含超过 40 个 ATG 基因，这些基因编码自噬机制的功能单元，以驱动自噬体的生物合成。自噬体在内质网（ER）定位的预自噬体结构（吞噬体组装位点，PAS）处启动，并在招募细胞内容物到膨胀的吞噬体后成熟。在自噬体与液泡融合后，被隔离的货物被释放进行裂解降解和随后的循环利用。转录因子（紫色）响应环境或内源性提示激活或抑制 ATG 基因。蛋白激酶和磷酸酶（橙色）修饰自噬核心组分以控制其活性。自噬蛋白的翻译后修饰（灰色）通过过硫化抑制或通过乙酰化激活自噬。自噬机制的稳定性由泛素化和随后的降解（蓝色）调节。

自噬体的形成

在自噬体生物发生过程中，内部和外部信号，如营养缺乏、应激、异常蛋白质聚集或受损细胞器，通过分层 ATG 复合物募集触发自噬体的启动。在自噬诱导后，从内质网（ER）募集 ATG1/ULK1 复合物、ATG9 小泡 和 COPII（外壳蛋白复合物 II）小泡，生成一个“自噬体前体”（预自噬体结构/吞噬体组装位点[PAS]），该前体随后在膜成核后转变为吞噬体。在 PI3K-复合物介导的膜扩张后，吞噬体成熟为自噬体，随后膜闭合取决于酵母中的 ATG8 或哺乳动物中的 LC3（轻链 3）/GABARAP（GABA 型 A 受体相关蛋白）（统称为 ATG8 蛋白）。自噬通量的最后一步是自噬体-溶酶体/液泡融合，由特定的可溶性 SNARE（N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体）蛋白介导，导致货物的降解和循环利用。植物内膜系统包含多个膜结合细胞器，包括内质网（ER）、高尔基体（GA）、反高尔基体网络/早期内体（TGN/EE）、多泡体/前液泡室/晚期内体（MVB/PVC/LE）和液泡。内膜系统通过多种新的机制或途径（A-F）促进自噬体生物发生，用于随后的自噬体-液泡融合和降解，其中机制细节在下面显示的相应放大框中突出显示。（A）自噬体生物发生由 AtEH/Pan1、F-肌动蛋白和内吞机制在 ER-PM 接触位点（EPCS）调节，用于降解拟南芥中的内吞成分。（B）拟南芥 ORP2A 与 ER 常驻 VAP27-1 和自噬体上的 ATG8 协调，以介导自噬体生物发生的 ER-自噬体 MCS。（C）拟南芥 SNARE 家族蛋白 AtVAMP724/AtVAMP726 调节 ATG9 小泡的运输。（D）形成独特的 AtSAR1d 阳性 COPII 群体，以通过 AtSAR1D-AtRABD2a 连接调节自噬通量。FYVE2 与 AtSar1b 和 ATG18-ATG2 复合物相互作用，以调节自噬体生物发生。（F）磷酸化的 FREE1 与 ESCRT 和 ATG 机制协调，以介导自噬体闭合。（G）CFS1 与 ATG8 和 VPS23A 相互作用，以介导自噬体-MVB 融合，促进双峰体的形成。

选择性自噬

在植物中研究最深入的货物受体是 NBR1，它是哺乳动物 p62 和 NBR1 蛋白的一种混合形式。拟南芥 NBR1 可以通过 PB1 结构域形成寡聚体结构，并与泛素化聚集体和 ATG8 分别通过泛素相关（UBA）结构域和 AIM 相互作用。它是否也与 FIP200 同源物 ATG11 相互作用或与其他迄今未知的受体合作尚不清楚。在功能上，NBR1 对清除非生物或生物胁迫条件下产生的蛋白质聚集体至关重要。虽然在应力条件下 NBR1 降解的特定货物尚未进行深入编目，但已显示 NBR1 降解小热休克蛋白以调节热应激记忆。需要进一步研究以了解 NBR1 介导的胁迫耐受机制。

（A）在干旱或碳饥饿期间，BIN2 磷酸化 DSK2，后者将 BES1 靶向 ATG8 进行随后的自噬降解。（B）在免疫激活后，MPK3 磷酸化 Exo70B2，后者与 ATG8 结合。（C）泛素化的蛋白酶体在蛋白质毒性应激或氮饥饿下与 RPN10 结合，导致蛋白吞噬。（D）光损伤的叶绿体被泛素化，导致叶绿体吞噬。（E）NBR1 在过表达时靶向 ABI 转录因子进行自噬降解。（F）NBR1 靶向衣壳蛋白 P4 和整个病毒颗粒，导致花椰菜花叶病毒（CaMV）的异噬作用。

自噬与发育

我们对自噬在发育中的了解很大程度上基于对自噬缺陷植物的观察。然而，受精后后自噬活性的丧失可以掩盖该过程在植物发育中的作用，这并不奇怪。因此，自噬本身可能并不直接调节植物发育。自噬缺陷植物中的“模糊蛋白质组”可能对植物发育产生负面影响。其在维持蛋白质稳态方面的作用对于确保细胞在多个发育转变过程中正常发挥功能是必不可少的。因此，组织特异性敲除突变体，例如 Feng 等人使用的那些，可能有助于进一步阐明自噬缺陷的发育后果，也许可以结合条件性 KOs。

Feng Q, De Rycke R, Dagdas Y, et al. Autophagy promotes programmed cell death and corpse clearance in specific cell types of the Arabidopsis root cap. Curr Biol. 2022 Oct 24;32(20):4548.

自噬与代谢

尽管我们对自噬与代谢之间的广泛相互作用了解很多，但仍存在许多未解之谜。虽然对组成型突变体和转基因的研究在很大程度上提供了上述知识，但未来转向自噬和/或代谢的诱导性操作的实验可能会对这种有趣且高度复杂的相互作用产生更详细的理解。最近发现的三个连续的糖酵解酶和 FCS 样锌指（FLZ）蛋白调节自噬通量[198，199]是自噬与代谢界面上的一个有趣的新方面，代谢如何影响自噬代表了一个重要的未来研究方向。

Lee DH, Choi I, Park SJ, et al. Three consecutive cytosolic glycolysis enzymes modulate autophagic flux. Plant Physiol. 2023 Oct 26;193(3):1797–1815.

Yang C, Li X, Yang L, et al. A positive feedback regulation of SnRK1 signaling by autophagy in plants. Molecular plant. 2023 Jul 3;16(7):1192–1211.

自噬与非生物胁迫

该图总结了改变自噬水平对不同植物物种非生物胁迫耐受性的观察到的影响。自噬抑制是通过 ATG 基因和 NBR1 货物受体的功能丧失突变或化学手段实现的。自噬激活是通过 ATG、NBR1 和其他基因的过表达（OE）以及负向自噬调节剂的功能丧失突变或化学处理介导的。

自噬与免疫

自噬在调节与免疫相关的超敏反应（HR）方面发挥着双重作用，以应对各种病原体的感染，并抑制与病原真菌相关的疾病细胞死亡。选择性自噬途径靶向病毒蛋白和颗粒以及细菌效应蛋白进行降解。此外，自噬体被转移到吸器，以介导针对卵菌病原体的局部防御反应，并且自噬机制参与了茉莉酸（JA）依赖性防御的激活。相反，自噬的细胞保护功能通过增加宿主细胞存活而有利于感染，并且选择性自噬途径被病原体劫持，以消除防御成分并靶向参与水杨酸依赖性免疫反应的蛋白酶体。自噬结构也可能参与营养物质转移到卵菌的吸器喂养位点，并促进病毒复制复合物的形成。病原体能够通过各种策略操纵自噬过程。这些包括与 ATG 蛋白和自噬调节剂的效应子介导的相互作用和/或修饰，以及对自噬货物降解所需的液泡功能的中断。真菌分泌的次级代谢物也调节自噬水平。

展望

植物自噬领域正在迅速扩展。然而，虽然保守的自噬机制有充分的记录，但其与内膜系统、选择性分解代谢途径、激素信号传导和发育作用的相互作用，以及自噬在碳和氮饥饿方面的关键功能，都需要进一步探索，其中应包括自噬的诱导性操作。此外，使用组织特异性敲除突变体等先进技术研究自噬与激素信号传导途径之间的相互作用，对于阐明自噬在不同发育程序中的具体作用将是必不可少的。

在非生物胁迫的背景下，拟南芥 atg 突变体对过表达 ATG 的增强抗性的敏感性凸显了自噬在农业解决方案中的重要性，以应对气候变化。最近的研究还表明，细菌、真菌、卵菌和线虫等病原体通过与核心 ATG 蛋白的直接结合来操纵自噬。然而，这些相互作用在感染过程中的机制细节和相关性仍有待充分探索。尽管如此，揭示自噬诱导机制是重要的前沿领域，并有可能为农业进步做出重大贡献，带来新的农业干预思路。

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