活性氧是植物有氧代谢的副产品，可以通过氧化还原调控植物分生组织发育（1,2）。茎部分生组织处于一个低氧环境，且这种低氧环境对新叶的生成是必需的。活性氧包括超氧化物阴离子(O2)、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(.OH)，在拟南芥茎尖分生组织中具有特定的功能。O2和H2O2的平衡是维持分生组织正常活动和功能的关键。因此，ROS是控制茎分生组织稳态的重要信号分子。然而，目前还不清楚ROS信号如何被感知和转导并最终调控茎分生组织。
对胞内氧化还原环境敏感的蛋白往往含有低电离常数的半胱氨酸残基（3）。这类蛋白的功能受氧化还原环境的调控，比如氧化作用可以诱导二硫键的形成，最终影响蛋白结构和活性。一些蛋白可以在氧化环境下与谷胱甘肽（glutathione，GSH）形成二硫键，这个过程被称为谷胱甘肽化（glutathionylation）（4）。此过程被谷氧还蛋白（glutaredoxin，GRX）调控（5-7）。目前已有证据表明，TGA转录因子可能被谷氧还蛋白修饰，但是还未有直接的证据。
近日，华中农大杨芳课题组在NaturePlants上发表题为GlutaredoxinsregulatemaizeinflorescencemeristemdevelopmentviaredoxcontrolofTGAtranscriptionalactivity的学术论文，本文揭示了谷氧还蛋白调控玉米花序分生组织发育的机制。
结果
（1）突变MSCA1和其同源基因抑制分生组织发育
MSCA1可以调控茎分生组织的发育，MSCA1的功能获得性突变会导致分生组织增大。而敲除MSCA1却仅导致微弱的分生组织减小。MSCA1有两个同源基因，分别是GRX2和GRX5，可能与MSCA1功能冗余。为了验证这个猜想，作者对MSCA1，GRX2和GRX5进行了多敲。结果发现，多敲的玉米在种子阶段没有差异，但是在花序过渡阶段出现了显著的生长抑制现象（图1a），同时分生组织显著减小（图1b-j）。
图1突变MSCA1和其同源基因抑制分生组织发育
（2）GRXs基因的表达模式与功能符合
为了探索GRXs基因调控分生组织发育的机制，作者对三个GRXs基因的表达模式进行了分析。利用原位杂交实验，作者发现这三个基因都在小穗分生组织和维管组织中存在（图2a-f）。MSCA1和GRX5同时还在分生组织中心区域存在（图2a,e），说明这两个基因功能更强。同时，作者还发现MSCA1和GRX5的表达区域与转录因子FEA4相同（图2g,h）。
图2GRXs基因的表达模式（3）MSCA1与FEA4互作
由于MSCA1和FEA4同时在分生组织中表达，且作用相反，表明二者存在互作。为了从遗传上证明这个推论，作者在GRXs突变体上敲除了FEA4，结果表明敲除FEA4可以恢复部分GRXs突变体的表型（图3a,b）。进一步的酵母和荧光素酶互补实验表明，MSCA1与FEA4互作，同时FEA4的第位的半胱氨酸对互作很重要。（图3d-g）。
图3MSCA1与FEA4互作（4）MSCA1可将电子转移至FEA4上
FEA4的半胱氨酸对互作很重要，暗示了MSCA1可能氧化还原修饰了FEA4。为了验证这个猜想，作者进行了碘乙酰胺(BIAM)标记实验。碘乙酰胺可以与过氧化氢竞争得与氧化还原敏感的半胱氨酸互作。纯化的FEA4与过氧化氢和碘乙酰胺共抚育，然后对FEA4进行碘乙酰胺的显色实验（图4a）。作者发现随着过氧化氢量提高，碘乙酰胺标记的FEA4的量减少，表明FEA4上存在氧化还原敏感的半胱氨酸（图4b）。利用相似的原理，作者验证了MSCA1可以对FEA4进行氧化还原修饰（图4c-e）。为了进一步分析MSCA1的氧化还原态是否在还原FEA4后进行了改变，作者进行了AMS实验，AMS只与还原性硫醇互作并可以增大分子量（图4f）。作者发现，在MSCA1还原FEA4后，自身的氧化态增加而还原态减少（图4g）。
图4MSCA1可将电子转移至FEA4上（5）FEA4不同氧化还原条件下发生二聚和单聚化
FEA4的氧化还原敏感的半胱氨酸残基可能导致二聚体的形成。作者首先利用酵母双杂交实验，荧光素酶互补实验和非变性胶实验验证了二聚体的存在（图5a-c）。同时，作者发现氧化还原环境对FEA4的二聚化有影响（图5d，e）。MSCA1可以在体外和体内抑制FEA4的二聚化（图5f-i）。为了进一步验证是否体内氧化还原环境影响FEA4的二聚化，作者对转基因植株进行了过氧化氢和DTT的处理，发现过氧化氢促进二聚化和DTT抑制二聚化（图5j,k）。
图5FEA4不同氧化还原条件下发生二聚和单聚化
（6）GRX突变体中FEA4增强活性增强
作者进一步探究了GRX蛋白对FEA4活性的影响，发现GRX突变体中，FEA4与启动子区域结合的能力显著增强（图6a-f）。同时作者发现，FEA4的二聚化对其结合DNA至关重要（图6g）。为了验证FEA4与GRXs的关系，作者对FEA4突变体和GRXs突变体进行了转录组测序，发现二者的转录组的差异表达基因非常相似，且大部分差异表达基因表达变化相反（图7a-c），说明FEA4是GRXs的主要调控对象。
最终作者利用现有结果形成了模式图（图7d）：分生组织中，GRXs通过感知ROS信号，将FEA4还原抑制其二聚化，导致下游基因表达受抑制同时促进分生组织形成。而GRXs突变体中，FEA4持续激活，导致分生组织发育受阻。
图6GRX突变体中FEA4增强活性增强图7FEA4是GRXs的主要调控对象总结
本文发现了调控玉米茎分生组织发育的一个调控模块，可以为精准分子育种提供理论基础。同时，作者的发现提示了氧化还原环境在分生组织发育中的重要性，为未来的研究提供了方向。
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