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南京大学团队揭示高尔基体N-糖链修剪缺陷通过铁死亡途径导致拟南芥根尖盐胁迫敏感性的机制

作者及机构
该研究由南京大学生命科学学院/医药生物技术国家重点实验室的Zi-Ang Li、Xiao Yan、Jiangyan Dong、Huchen Zhang、Xiaoyue Yang、Qiqi Chen及通讯作者Zhi Hong共同完成，发表于《New Phytologist》期刊（2026年，卷249期，342-358页，DOI: 10.1111/nph.70428）。

学术背景
本研究聚焦植物细胞程序性死亡中的铁死亡（Ferroptosis）机制，这是近年来在动物细胞中发现的一种铁依赖性脂质过氧化驱动的细胞死亡方式。尽管植物中已有类似铁死亡的报道，但其核心调控基因仍不明确。团队前期发现高尔基体α1,2-甘露糖苷酶（MNS1/MNS2）突变会导致拟南芥对盐胁迫超敏感，但其分子机制未明。本研究旨在揭示N-糖链修剪缺陷如何通过破坏铁稳态和脂质代谢，最终触发植物铁死亡。

研究流程与方法
1. 遗传材料构建与表型分析
- 使用T-DNA插入突变体mns1 mns2双突变体及STT3A、CGL1等N-糖基化相关突变体，通过杂交获得纯合株系。
- 在含120 mM NaCl的培养基中培养5天后，测量根长、侧根数等表型参数，并通过台盼蓝染色检测细胞死亡。创新性采用Kifunensine（KIF）药物抑制野生型α1,2-甘露糖苷酶活性以模拟突变表型。

1. 氧化还原稳态分析

   • 通过DAB和NBT染色定位H₂O₂和O₂⁻分布，结合谷胱甘肽（GSH/GSSG）和抗坏血酸（ASA/DHA）含量测定评估氧化状态。
     
   • 转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）分析差异基因，GO富集显示氧化还原过程相关基因显著上调。

2. 铁代谢与脂质过氧化检测

   • 普鲁士蓝（Perls）染色结合DAB增强法可视化根尖铁离子积累。
     
   • 采用C11-BODIPY 581/591荧光探针标记脂质ROS，气相色谱定量脂肪酸组成变化，发现超长链不饱和脂肪酸（VLCFA）比例升高。
     
   • 透射电镜（Hitachi HT7700）观察线粒体超微结构，发现典型铁死亡特征：线粒体皱缩、嵴减少。

3. 干预实验验证机制

   • 使用铁剥夺培养基、铁螯合剂Ciclopirox Olamine（CPX）和抗氧化剂维生素E（VE）处理突变体，通过表型恢复实验证实铁死亡的依赖性。
     
   • 构建组织特异性启动子（SHRpro、SCRpro、CO2pro等）驱动的MNS1-GFP转基因株系，定位铁死亡发生的细胞层（皮层、内皮层和表皮）。

主要结果
1. N-糖链修剪缺陷引发盐胁迫下铁积累
- mns1 mns2根尖在盐胁迫下出现铁离子异常沉积（Perls-DAB染色强度较野生型高3.2倍），而野生型通过主动排出铁离子适应胁迫。qPCR显示铁转运基因IRT1/2表达上调2.5-3.8倍，但铁存储蛋白FER1/2下调。

1. 脂质代谢紊乱驱动铁死亡

   • 脂质组学分析显示突变体中C20:1、C22:2等VLCFA含量增加40%-60%，MDA（丙二醛）水平升高2.1倍。C11-BODIPY荧光信号证实脂质ROS在根尖分生组织区累积。

2. 线粒体形态与功能异常

   • 电镜观察到突变体线粒体嵴断裂、膜密度增加，与动物铁死亡特征一致。同时，线粒体定位的GPX4同源基因表达上调4.7倍，提示抗氧化代偿机制激活。

3. 干预实验的有效性

   • 铁剥夺或CPX处理使突变体根长恢复至野生型的85%，VE处理降低脂质ROS水平67%。组织特异性回补实验表明，仅在皮层/内皮层表达MNS1即可部分抑制铁死亡。

结论与价值
本研究首次证明植物高尔基体N-糖链修剪通过调控分泌途径糖蛋白的稳定性，维持铁离子外排和脂质稳态，从而防止盐胁迫下的铁死亡。科学价值体现在：
1. 发现MNS1/MNS2是植物铁死亡的关键抑制因子，填补了领域内调控基因的空白；
2. 揭示植物铁死亡的特殊性——依赖分泌途径而非经典的GPX4/LOX通路；
3. 提供潜在农艺应用靶点：通过编辑糖基化酶基因或施用VE/CPX可增强作物耐盐性。

研究亮点
1. 方法创新：
- 首创Perls-DAB联合染色法实现植物组织铁离子原位可视化；
- 开发组织特异性糖基化酶回补系统，精准解析细胞层间互作。
2. 理论突破：提出”N-糖链修剪-分泌蛋白稳态-铁代谢”的级联调控模型，为植物环境适应机制提供新视角。
3. 跨学科意义：将动物铁死亡理论拓展至植物领域，推动比较细胞死亡研究的发展。

其他重要发现
- 盐胁迫与渗透胁迫（甘露醇处理）诱发铁死亡的机制差异：仅盐胁迫导致铁依赖性死亡，提示离子特异性效应。
- STT3A和CGL1突变体的表型较弱，说明高尔基体加工早期步骤（MNS1/2作用位点）对铁死亡调控更具决定性。