植物会向周围环境释放化感物质，并导致邻近植物之间相互抑制或促进，从而影响着田间作物与杂草的竞争动态。醌类作为关键次级代谢产物广泛存在于自然界，并且在非寄生植物的免疫和生长中发挥重要作用。醌感知通常涉及蛋白质的翻译后修饰，特别是通过半胱氨酸氧化。然而，醌类诱导的半胱氨酸修饰以及调控之间的关系尚未完全阐明。
今年9月24日，由湖南省农业科学院柏连阳院士团队王立峰课题组主导，北京青莲百奥参与的研究论文“The CANNOT RESPOND TO DMBQ 1-GLUTAREDOXIN C1 module regulates Arabidopsis root growth via quinone-induced oxidation”已上线Plant Physiol （IF=6.9）杂志。本文通过检测醌类化感物质2,6-dimethoxy-1,4-benzoquinone（DMBQ）处理后的胞内ROS水平，结合修饰蛋白质组学，系统解析了醌类化感物质DMBQ通过CANNOT RESPOND TO DMBQ 1-GLUTAREDOXIN C1（CARD1-GRXC1）氧化还原信号模块调控植物根系生长的分子机制。该研究为理解DMBQ诱导的氧化还原信号通路和DMBQ-CARD1-GRXC1信号通路响应拟南芥氧化还原改变提供了分子基础。
北京青莲百奥生物科技有限公司为文章提供了氧化还原修饰组学服务。
研究结果
一、DMBQ激发拟南芥根系的氧化应激响应
为了探究非寄生植物对DMBQ的响应及其对ROS产生的影响，研究团队分别用20 μM DMBQ处理野生型拟南芥（Col-0）和card1功能缺失突变体的幼苗根系，发现DMBQ或H2O2处理均能显著提高Col-0根系胞内ROS水平，但DMBQ未能诱导card1突变体产生ROS。同时，DMBQ或H2O2处理可抑制Col-0根系生长，而对card1突变体无此效应。结果说明DMBQ通过CARD1依赖机制抑制根系生长。随后检测了NADPH氧化酶RBOHD突变体，经DMBQ处理后也未出现根伸长抑制现象，表明ROS是DMBQ抑制根系生长所必需的。综上所述，DMBQ-CARD1信号通路通过诱导ROS积累进而抑制根系生长。
图1. DMBQ-CARD1信号通路通过诱导活性氧爆发抑制拟南芥根系生长
二、拟南芥中DMBQ诱导的半胱氨酸氧化还原修饰组全景分析
为了探究DMBQ对拟南芥氧化还原状态的影响，研究团队对生长一周的Col-0幼苗进行了20 μM DMBQ处理，随后与对照组样本进行了氧化还原修饰组学分析。差异分析发现有733个受DMBQ氧化调控的蛋白，包括多个典型氧化敏感蛋白。其中CINNAMATE 4-HYDROXYLASE（C242位点）和细胞色素P450 81F4（C87位点）对DMBQ处理表现突出，其-SH和-SOH形式发生显著变化。最终定义了包含1,870个蛋白的DMBQ敏感性拟南芥氧化还原组，其中25.7%的蛋白呈现多位点氧化还原修饰。表明DMBQ处理显著改变了拟南芥蛋白质组的氧化还原状态。
图2. 拟南芥DMBQ敏感性氧化还原修饰组的全面解析
三、DMBQ-CARD1信号通路诱导蛋白氧化并调控多种生物学进程
为深入解析DMBQ-CARD1信号通过调控氧化还原状态影响的生物学过程，文章对经20 μM DMBQ处理的card1突变体进行了氧化还原蛋白质组学分析，其修饰蛋白及位点数量少于野生型，表明CARD1参与了DMBQ介导的蛋白氧化过程。通过韦恩图比较分析，发现有237个蛋白在野生型中受DMBQ调控，在card1突变体中无响应，提示这些蛋白的氧化修饰由CARD1介导。这些CARD1依赖性氧化蛋白主要定位于细胞质、叶绿体和质膜。另外有133个蛋白仅在card1突变体中被氧化，暗示CARD1可能抑制其氧化修饰。进一步的GO分析显示，CARD1调控的氧化蛋白富集于多种通路，表明CARD1在植物中可能具有双重调控功能。
图3. DMBQ–CARD1调控模块通过多通路网络介导多样化生物学进程
四、CARD1与GRXC1间的相互作用
鉴于CARD1参与DMBQ介导的氧化还原调控，研究团队通过CoIP-MS技术筛选CARD1的互作蛋白，并将结果与DMBQ氧化蛋白取交集，发现GRXC1与CARD1存在特异性互作，GRXC1的C39位点可被DMBQ氧化。在DMBQ处理下，card1突变体中GRXC1的氧化程度低于野生型。通过荧光素酶互补成像以及免疫共沉淀实验，在体内验证了GRXC1与CARD1间的相互作用，CARD1更倾向于与GRXC1二聚体结合。综上所述，GRXC1通过其活性位点C39的氧化状态调控与CARD1的相互作用，DMBQ可能通过促进GRXC1单体形成影响该互作过程。
图4. CARD1与GRXC1间的分子互作
为解析CARD1与GRXC1相互作用的生化机制，研究通过体外磷酸化实验对重组纯化蛋白进行分析，发现CARD1可对GRXC1发生磷酸化修饰，当GRXC1的C39位点被突变后，其磷酸化水平显著降低，表明GRXC1的C39残基对其磷酸化至关重要。随后通过质谱分析与点突变验证，确认Thr-55是CARD1催化GRXC1磷酸化的关键位点。
随后进一步探讨CARD1存在及GRXC1磷酸化状态在植物体内的调控作用，证实了DMBQ处理可显著增强GRXC1的磷酸化水平。并基于点突变与蛋白互作，发现非磷酸化GRXC1与CARD1保持正常互作，而磷酸化GRXC1与CARD1的相互作用显著减弱。这表明DMBQ通过CARD1调控GRXC1的磷酸化水平，进而影响二者互作强度。
图5. CARD1特异性磷酸化GRXC1 T55位点
五、CARD1-GRXC1复合物通过感知DMBQ信号调控根系生长发育
本文基于Col-0野生型、DMBQ处理的Col-0、card1及grxc1突变体幼苗进行了转录组测序分析，对三组差异基因的交集进行GO功能富集分析发现，其共同参与免疫应答和氧化应激等生物学过程，提示DMBQ诱导的ROS爆发可能增强植物免疫响应并改变其氧化还原环境。随后还检测了DMBQ处理下Col-0、card1和grxc1幼苗中MPK3和MPK6的磷酸化水平，进一步阐明了GRXC1可能是CARD1的直接下游磷酸化靶标，共同参与植物免疫应答调控。
图6. GRXC1作为DMBQ-CARD1信号通路的下游响应因子3
通过分析DMBQ处理下的根系发育表型，探究了GRXC1的C39和T55位点修饰的生物学功能。与前期结果一致，DMBQ对card1和grxc1突变体根系伸长的抑制作用显著弱于野生型；回补CARD1或野生型GRXC1均能恢复突变体对DMBQ的根系响应缺陷；而携带GRXC1两种点突变的株系对DMBQ敏感性降低，再次证实GRXC1的氧化还原修饰（C39）与磷酸化修饰（T55）对其功能至关重要。
最终，文章提出如下模型：正常条件下，GRXC1主要以二聚体形式与CARD1互作；当植物感知DMBQ信号后，CARD1介导的GRXC1磷酸化增强，促使GRXC1从二聚体向单体转换，这一构象变化通过调控细胞氧化还原稳态，并抑制根系生长。
图7. DMBQ-CARD1-GRXC1信号通路调控拟南芥主根生长发育
研究结论
本研究揭示了醌类化感物质DMBQ调控植物生长的分子机制，深化了对植物化感作用的理解。该机制通过调控氧化还原稳态、蛋白质功能和植物-环境互作，凸显了氧化还原调控在植物逆境适应中的核心作用。DMBQ诱导的氧化还原变化为理解植物感知并响应外界化学信号提供了新视角，其中GRXC1作为关键氧化还原感应器，通过反馈调控ROS水平，展现了植物在氧化胁迫下维持精密平衡的生存策略。研究确立氧化还原信号在植物与环境互作中的核心地位，为解析生态互作机制及提升作物抗逆性提供了重要理论基础，推动了植物生理学与生态系统管理的融合发展。
参考文献
Zhang L, Wang L, Qiang X, Chen K, Xue J, Liu Z, Sun L, Zhao Z, Bai L, Yu F, Wang L. The CANNOT RESPOND TO DMBQ 1-GLUTAREDOXIN C1 module regulates Arabidopsis root growth via quinone-induced oxidation. Plant Physiol. 2025 Sep 24:kiaf419.
青莲百奥合作文章
青莲百奥深度参与众多前沿研究，与中国医学科学院、中国科学院、军事医学研究院、国家蛋白质科学中心、四川大学华西医院等顶尖科研机构通力合作，累计发表SCI论文近200篇，累计影响因子（IF）超1500。多项重磅研究成果发表于《Nature》《Science Translational Medicine》《Nature Communications》等国际顶级期刊。
