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编译：有点卡，编辑：小白、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 植物中的碳主要储备在脂质、糖和蛋白质中，其中脂质能被选择性的循环利用和代谢分解，为植物的生长发育和抵抗外界环境的胁迫提供能量。自噬是生物体内一种重要的代谢途径，在真核生物的细胞组分循环中扮演着重要角色，虽然早期人们认为自噬降解作用主要存在于哺乳动物和酵母细胞中，但到目前为止，越来越多的实验证明，自噬也在植物脂质代谢中发挥作用。因此该综述对近年来发现的有关自噬在植物脂滴(LD)代谢中发挥的作用进行了总结，并对自噬在植物线粒体和过氧化物酶体的稳态维持与清除之间的关系提供了新的见解。 论文ID 内容 术语： 自噬性溶酶体(Autolysosome)：动物细胞中，由自噬体与含有水解酶的囊泡（即溶酶体）融合而成的结构。 自噬体(Autophagosome)：自噬过程中形成的双层膜囊泡，能吞噬细胞质中的物质并运输至液泡中消化。 脂滴相关蛋白(Lipid droplet(LD)-associated proteins)：一种镶嵌或表面附着脂滴的蛋白质，具有特定的结构和/或酶功能。目前已发现油体蛋白(Oleosins)、固醇蛋白(steroleosins)和油体钙蛋白(caleosins)三个主要家族。 脂噬(Lipophagy)：自噬体选择性消化脂滴的过程。 脂肪毒性(Lipotoxicity)：过多的游离脂肪酸造成的细胞内稳态破坏及细胞功能紊乱。 大自噬(Macroautophagy)：一种由自噬体介导的，将细胞内物质吞噬并运输至液泡中消化的过程(植物)；是植物中最典型和最普遍的自噬类型，本文统一称之为自噬。 大自噬系统(Macroautophagymachinery)：参与大自噬的核心自噬相关(ATG)蛋白的保守系统。ATG1、ATG13、ATG11和ATG101蛋白的作用是促进吞噬泡的成核和延伸。跨膜蛋白ATG9与ATG2和ATG18负责募集脂质促进吞噬泡延伸。吞噬泡膜的延伸和闭合需要两组ATG蛋白完成：第一， ATG8经过ATG4处理后，通过ATG3与脂质PE耦联。第二，包括与ATG10和ATG5相连的ATG12。ATP依赖的激酶ATG7则在两个结合体系中都起作用。ATG12-ATG5-ATG16复合物促进ATG8-PE的脂质化，并使其锚定在吞噬泡膜上。闭合的自噬体随后将运输到液泡中。 微自噬(Microautophagy)：由液泡直接内陷或突起吞噬细胞内成分。 逆运复合体(Retromer)：一种参与胞内蛋白转运的多蛋白复合物，由两个亚单位以及VPSs和连接蛋白(SNXs)构成的逆运复合体核心组成。 β-氧化(β-Oxidation)：只发生于植物过氧化物酶体中的脂肪酸(FAs)降解，细胞内储存的脂质水解后释放游离FAs，游离FAs通过PXA1进入过氧化物酶体，被长链酰基CoA合酶(LACS)激活，并生成酰基CoA；随后由酰基CoA氧化酶(ACX)的同工酶顺序氧化，生成的2-转酰基CoA在多功能蛋白2(MFP2)的作用下经3-羟基酰基CoAs水解生成3-酮脂酰CoA；最后，一分子3-酮脂酰CoA硫酶(KAT)释放乙酰基CoA和一分子短脂肪酰CoA，其能进行新一轮的β-氧化。 1. 自噬、脂质与能量的关系 脂质是细胞结构和功能的重要组成部分，不仅构成了生物膜的基本骨架，同时也是一种重要的信号分子。此外，脂质能以ATP的形式储存碳和能量，当糖供应不足时（如碳饥饿、老化、脱水和缺氧），除蛋白质外，脂质也能参与呼吸作用提供能量，以满足细胞代谢的需求。在植物细胞中，脂质以三酸甘油酯(TAGs)的形式存储于一种特殊的细胞器——脂滴(LD)中。TAG是一种能进一步分解代谢为脂肪酸并能被过氧化酶物体β-氧化(β-oxidation)氧化的高能复合物。储存的脂肪是由脂肪酶催化分解的，但同时也存在一种称为脂噬(lipophagy)的选择性自噬能分解代谢哺乳动物和酵母（酿酒酵母）细胞的脂质。自噬是植物细胞耐受各种胁迫所必须的保守循环机制，在非胁迫条件下也起着维持细胞内稳态的作用。到目前为止，大部分关于自噬的研究都集中于蛋白质和氨基酸对细胞能量的供应，而自噬在植物脂质代谢方面的重要性才刚刚显现出来。 脂质与自噬的直接关系起初被认为是自噬体(autophagosome)的形成需要特定的脂质来源。该综述分不同小节讨论了自噬在脂质稳态和转化中的作用，以及自噬对细胞常规代谢的影响。此外，作者还总结了最近提出的植物细胞中LD降解的机制；自噬在生物膜脂质转化中发挥的作用以及自噬与FA积累和LD合成之间的关系；以及脂质分解代谢对各种细胞器自噬的重要性。但作者表示，无论是在机制还是遗传学上，与动物和酵母相比，目前对植物自噬在脂质降解中的作用的理解还有一定差距。因此，需要进行一个全面且完整的表征植物中多种自噬功能的研究，这将为植物脂质的调节提供新的思路。 自噬过程中，由一种被称为“自噬体”的双层膜结构将货物分子分离。该过程包括各种ATG蛋白的作用以及脂质的招募，目前认为仅3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)和磷脂酰乙醇胺(PE)参与了自噬体的形成（图1）。 自噬起始于前自噬体结构——吞噬泡的形成，吞噬泡是在生物膜起源部位组装的一种膜结构。在哺乳动物中，这一过程首先由内质网中富含PI3P结构域招募ATG1复合物，虽然目前并没有确定植物中存在ATG1复合物与PI3P结构域相互作用，但已经有研究证明，内质网中PI3P富含结构域参与了早期吞噬泡的形成和调节。吞噬泡的PI3P结构域招募并介导ATG18锚定，同时招募ATG9-小泡到内质网上促进自噬体延伸（小泡可能来自于高尔基体）。值得一提的是，ATG9并非植物自噬所必须的，这表明很可能还有其他膜结构也参与了自噬体的形成。 ATG8和PE介导吞噬泡的延伸与闭合。ATG8、ATG5/ATG12/ATG16复合物，以及ATG7和ATG3与PE的耦联是由蛋白酶ATG4催化完成的。该过程中，ATG8与PE的结合和解离是自噬体的生物发生和动力学模型所必须的：ATG8-PE的锚定能维持吞噬泡膜形状的稳定；而ATG8-PE和PI3P与含有SH3结构域的蛋白2(SH3P2)的相互作用则能促使吞噬泡弯曲；在自噬体成型后，位于外膜的ATG8-PE在ATG4的作用下释放ATG8。 atg5和atg7敲除株在C饥饿状态下表现出PE和PI水平变化。atg突变株在C饥饿条件下出现自噬体生物发生中断，从而使得PE需求量减少，PE水平降低，与此相反，在C饥饿或N、S缺乏的条件下，atg突变株出现PI富集。但自噬到底是如何影响PI和PE变化从而调节植物膜的转运的，目前仍不清楚。 除了PI和PE外，自噬体脂质骨架的组成目前仍存在争议。由于细胞膜可以作为膜供体直接将脂质转移到吞噬泡中，因此膜接触位点(MCSs)被认为是一种潜在的脂质源，目前也有证据表明植物自噬体起始于内质网质膜的MCSs。但内质网-线粒体以及内质网-高尔基体接触位点似乎也参与了自噬体的形成，自噬体膜的生物发生过程中脂质的来源仍需要进一步的研究证明。 图1 自噬体形成过程中脂质信号的简化模型 (A)在动物细胞中，自噬起始于内质网(ER)的富含3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)结构域中活性ATG1复合物的招募，但目前该相互作用在植物体内并没有被证实（图中用问号显示）；(B)ATG4、ATG7、ATG3和ATG5/12/16复合物催化ATG8发生连续反应后与磷脂酰乙醇胺(PE)耦联，并附着于吞噬泡膜上；(C)吞噬泡的PI3P结构域介导ATG18锚定。PI3P需要招募吞噬泡延伸的主要膜源——ATG9-小泡，同时与ATG8-PE耦联，然后通过与含有SH3结构域的蛋白2(SH3P2)相互作用引起吞噬泡弯曲；(D)自噬体形成的最后一步，自噬体的双层膜结构闭合，位于外膜上的ATG8被ATG4剪切下来，而位于内膜的ATG8则保留了下来。该图用BioRender工具生成。 2. 脂质的分解代谢：一个自相矛盾的问题 众所周知，植物储备脂质一般是为种子萌发提供ATP或碳骨架，这也是为什么β-氧化失调的突变株会表现出萌发延迟和较低的发芽率，即便成功萌发了也依赖于外源糖的供应。但实际上，脂质在老化细胞中作为一种可替代的呼吸作用底物发挥着同样重要的作用：在糖匮乏的情况下，储备的脂质能降解并靶向过氧化物酶体进行β-氧化，在线粒体呼吸作用下生成乙酰CoA提供能量，而且实验证明，不论是发育性衰老还是暗诱导衰老，细胞都会诱导产生脂质降解代谢相关的转录和蛋白表达。 一项通过突变引起ABC转运体1(PXA1)和酮脂酰硫解酶2(KAT2)缺乏的研究证明，β-氧化是植物克服饥饿条件所必需的，该研究发现pxa1和kat2敲除株由于脂质分解代谢受损对黑暗的延长更敏感，相比之下，野生型能够利用FAs生成的ATP存活下来。此外，最近有研究表明在植物生命周期糖类波动的阶段，脂质能进行分解代谢，例如淀粉合成不足的拟南芥突变株表现为FA合成和转化增加；而过氧化物酶体β-氧化被破坏的突变株生长缓慢，且抽薹和开花均出现延迟，这些证据都表明植物通过脂质分解代谢来满足生长过程中的能量需求。不仅如此，有研究表明，如果过表达TAG生物合成相关的酶——磷酸甘油脂酰基转移酶1(PDA1)，会增加脂质的储备，改善淀粉合成不足突变株的生长状况。 无论在胁迫还是衰老过程中，细胞中脂质降解代谢均会产生游离FAs，但过多的FAs对细胞是有毒的，因为它们会产生具有破坏性的生物活性脂质，并且能破坏线粒体膜的完整。而LDs则通过清除FAs以降低其对细胞的破坏，是一种于植物而言安全的中性脂质储存方式，因此人们认为这是植物的一种生存策略。此外，如果破坏细胞质中糖依赖的脂肪酶1(SDP1)可以减少胞浆中FA和活性氧(ROS)的产生，提高植物对黑暗的耐受性。若阻止FA进入过氧化物酶体将提高植物对盐胁迫的耐受能力，例如pxa1突变株比野生型更耐盐，与此相反，若过表达PDAT1基因，促进FAs进行β-氧化，则让植物对盐胁迫更加敏感。总的说来，这些研究表明FAs的β-氧化会产生氧胁迫，对不利条件下植物的生长产生负面影响，这便使得LD的生成作为一种消除FA脂毒性的保护机制显得尤为重要。 已有研究证明，TAG生成与β-氧化之间的平衡对于维持长时间黑暗条件下FAs浓度在毒性水平以下起着至关重要的作用。添加蔗糖能逆转pxa1突变株表型，这说明碳源的添加能克服由于FA的β-氧化损伤引起的能量衰竭。有趣的是，添加蔗糖还能减低pxa1突变株的FA水平，并缓解突变引起的表型变化。如果破坏SDP1从而阻断TAG的水解则能彻底逆转黑暗条件下pxa1的表型。由此可以看出，能量产生和毒性FA的清除是脂质代谢产生的一个自相矛盾的问题。作者认为，在脂质降解和清除机制之间进行适当的调节是确保植物在次优条件下存活的必要条件。 3. 脂噬：植物脂肪储备的消耗 近年来，越来越多研究描述了自噬的主要功能。自噬最早是在饥饿小鼠干细胞中发现的，在小鼠中是首先将LDs捕获，运输到自噬体后再进行进一步的消化。而不同于动物细胞，在酵母中是通过一种被称为微脂噬的途径完成，即将LDs直接运到液泡中消化的微自噬。随后发现当突然中断酵母细胞的葡萄糖供应会激发微脂噬以保证酵母能在突然的营养缺乏条件下能存活。有趣的是，如果逐渐减低葡萄糖和氨基酸的供应，这个机制则不会被触发，也无法提供酵母长期生存所需的能量。 在藻类中同样也发现脂噬诱导和饥饿或胁迫条件之间的相互作用关系。例如在绿藻Auxenochlorella protothecoides从异养到自养的转变过程中，LDs会被以类似于微自噬的机制分隔开；而在Micrasterias denticulata营养供应不足时，LDs则会被一种双层膜小泡分隔，这个过程更类似于大自噬；最近发现在莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)长期缺乏营养时LDs与自噬体会发生融合，说明这种藻类对LD的转化机制更接近大自噬型。 在植物体内，从种子萌发后到能够光合作用自养这一期间，LDs的代谢显得尤为明显，当然花粉也能积累LDs，这可能是为了给花粉萌发和花粉管的生长提供能量；虽然成熟叶片中几乎没有发现LDs的自噬，但在自然衰老和非生物胁迫的过程中，LD会自然的积累从膜上剥离的脂质，因此目前绝大多数关于植物LD水解的研究都集中于早期幼苗发育阶段脂肪酶介导的过程。迄今为止，植物中的脂肪酶主要是指SDP1和类SDP1酶(SDP1-L)，他们负责拟南芥种子中绝大多数的TAG水解。在拟南芥种子中，SDP1是通过依赖于LD过氧化物酶体接触来介导LDs水解。在这一过程中，SDP1通过过氧化物酶体延长并与一种被称为空泡分选蛋白(VPS)29的逆运复合体连接，从而完成从过氧化物酶体转运至LDs的过程；随后SDP1催化LD TAGs水解为FAs，再穿过PXA1进入过氧化物酶体并进行β-氧化(图2A)。最近在拟南芥中发现了一种与LD代谢相关(LDAD)的机制，这个系统能介导脂滴相关蛋白转化，这些脂滴相关蛋白是LD降解所必需的，也是LD动力学的关键调节因子。 图2 植物细胞内脂滴(LDs)的消化依赖于脂解和脂噬 (A)在种子萌发后生长过程中，脂解由糖依赖蛋白1(SDP1)介导。LDs表面的油体蛋白(OLE)可以保护LDs，所以在脂解前，OLE会被泛素化，并由LDAD系统中的蛋白酶体降解；去除OLE后，空泡分选蛋白VPS29介导过氧化物酶体延伸，使得SDP1能与LDs表面接触，随后SDP1介导TAG水解产生FA，游离的FAs穿过PXA1再进入过氧化物酶体进行β-氧化；(B)目前建立的微自噬型机制表明，在饥饿后期，LDs会以自噬依赖的方式在液泡中完全消化，并生成FAs在过氧化物酶体中进行进一步的β-氧化。其中自噬相关蛋白ATG8(粉色圆形表示)与LD表面的直接相互作用似乎是一种降解信号，但是否存在其他ATG蛋白(棕色椭圆表示)作为ATG8的货物受体或液泡膜的重组目前尚不清楚。 近年来，除了脂解取得了重大进展，最近还发现长期处于黑暗的植物存在脂噬的现象。在长时间的黑暗条件下，无论是tgd1敲除或野生型株，其油体蛋白与GFP融合表达(OLE1-GFP)的叶片中都发现ATG8蛋白与LDs存在一定联系。油体蛋白是种子中最具代表性的LD蛋白，三乳糖二酰甘油1(TGD1)则参与脂质从内质网(ER)到叶绿体的转运。此外，通过观察加入ATG8抗体的sdp1敲除株免疫电镜发现，在黑暗条件下ATG8蛋白聚集于LD表面。对ATG5或ATG2进行基因突变以阻断自噬，能抑制LD泡降解，并增加sdp1突变株中的TAG水平。虽然上述的ATG蛋白也会参与大自噬系统，但并没有发现类似于自噬体的结构，这说明，拟南芥可能是通过微自噬的方式进行脂噬的(图2B)。这类脂噬一般发生于酵母中，且由液泡结构直接吞噬LDs。在酵母细胞中，ATG6和ATG14蛋白作为磷脂酰肌醇(PI)3-激酶(PI3K)的组成部分参与自噬体的生物合成，被认为是微脂噬过程中的重要参与蛋白。当出现葡萄糖突然匮乏的情况，ATG14将从ER转移至液泡膜，并与ATG6共同作用，介导小液泡的形成，以促进LDs的吞噬。在植物细胞中，微脂噬过程也依赖于这些自噬相关的关键基因，但与酵母不同的是，ATG8直接与LDs相互作用，而并没有发现其他ATG蛋白在液泡膜表面。推测可能在植物细胞中，ATG8具有作为脂噬的特殊受体，以及控制液泡膜重组以捕获LD两种功能，但这种猜测还需要进一步研究证实。 值得注意的是，这项关于植物脂噬的研究是在不同的突变体中进行的，而且这些突变会改变脂质的代谢。例如异位表达OLE1能促进TAG积累，并诱导叶片中小LDs簇的形成。LD的大小、分配以及构成会直接影响LD的代谢机制，因此，总结植物脂噬的生物学功能前，还需要进一步研究仅受自噬影响的植物。 atg5和sdp1双突变菌株表明植物TAG代谢与这两个基因有新的联系。在长时间黑暗条件下，自噬对于sdp1突变株中TAG积累减少的后期具有潜在作用，但阻断SDP1蛋白并不会影响最佳条件或饥饿状态下生长植物的自噬总量。总之，这些结果表明，自噬在突然性碳缺乏条件下的TAG水解中发挥着重要作用。 尽管在哺乳动物和酵母中已经报道了脂解与脂噬之间的关系，但植物中是否存在这样的联系还有待阐明。由于在SDP1阻断的幼苗中并未发现TAG的降解，因此SDP1被认为参与拟南芥幼苗组织中LD的主要代谢途径。因此脂噬可能不会对最佳条件生长幼苗的TAG降解产生太大的影响，但在碳缺乏条件下，自噬紊乱会导致幼苗发育迟缓，而且atg5-1和atg7-2双突变株出现FAs和TAG积累。这表明在碳缺乏的条件下，自噬对幼苗的脂质稳态具有重要作用，且自噬与SDP1是根据条件的不同进行不同的调节。 最近有研究指出自噬与磷脂酶之间可能存在联系。玉米(Zea mays)的atg12突变株多组分分析表明，在任意条件下磷脂酶A,C,D均存在转录和表达。拟南芥atg5突变株的微阵列分析的转录组数据也表明，在N缺乏的条件下，磷脂酶A和D均上调。与SDP1相比，磷脂酶活性与生物膜的循环有关而非LD降解。总的来说，这些数据为阐述自噬与脂质降解机制之间的关系提供了有力证据，但我们还需要进一步的研究来阐明不同组织和生长条件下脂噬与脂肪酶的作用，以及它们差异调节和相互作用是如何维持脂质稳态的。 4. 自噬在植物脂代谢中的独特作用 在哺乳动物和酵母细胞中，除了存在不同的自噬机制参与LD降解外，自噬还参与了LD的生成，此外，在小鼠细胞中，细胞内膜通过自噬降解为游离的FAs，并被诱导生成中性脂质，储存在LDs中。最近，在植物中也发现了类似的自噬双重作用：自噬不仅介导饥饿调节下LD的降解，同时它还参与非胁迫条件下拟南芥叶片中TAG的合成。若阻断自噬过程将导致拟南芥成熟和衰老叶片中TAG积累降低。此外，若阻止atg5和atg2突变株细胞器膜FA的流出，也会降低TAG的水平。有趣的是，自噬不会影响暗诱导条件下TAG的合成，后者可能主要源于质体膜，这表明还有其他途径在这些细胞器成分的转化中起作用。 除了发现在突然性饥饿条件下莱茵衣藻出现LD降解外，该研究还发现自噬在这种藻类的LD生物发生具有潜在作用。在饥饿早期阶段，自噬体与LDs出现紧密接触，但并未融合，这表明在轻微碳胁迫条件下，自噬可能可以为LD的生物发生提供脂质。此外，已经有研究报道在莱茵衣藻中，N缺乏的条件下自噬对LD和TAG的生物合成起着重要作用。 最近，在拟南芥atg5突变株和玉米atg12突变株中均发现由脂质代谢中间产物的积累，这表明在这些植物中存在膜循环缺陷，自噬可能对于膜循环的维持和LD的合成起着重要作用。玉米atg12突变体中部分脂质中间产物的积累表明，自噬可能不是膜循环起始阶段所必需的，其可能由磷脂酶（见“脂噬：植物脂肪储备的消耗”）介导，但在膜循环的全过程中，自噬似乎又是必需的。 在哺乳动物细胞中，在饥饿条件下TAG的积累与自噬存在一定联系，其中LDs的形成似乎是由细胞器膜自噬降解释放脂质介导的。尽管已经有证据证明自噬在膜循环过程中起作用，但仍需要进一步的研究确认，自噬是否还参与了饥饿状态下膜组分的激活，以及究竟这些组分在多大程度上用于LD的产生。 自噬除了在维持膜稳态中发挥着作用，在植物繁殖阶段，以及种子和/或幼苗代谢过程中，脂质代谢同样离不开自噬。在水稻(Oryza sativa)花粉细胞中，自噬介导了特定脂质的降解，并且对花粉发育和植物繁殖至关重要，此外，最近在烟草中也发现自噬参与了花粉管生长和花粉萌发时期储备脂质的代谢。在拟南芥中，如果过表达自噬基因将使种子中FA含量以及单颗种子的油产量增加；与此相反，atg5和atg7敲除株表现出种子中FA成分变化，以及FA含量降低。此外，对atg5和atg7突变株的转录组分析发现，参与脂质降解的基因转录水平更高，这表明在atg敲除株中出现的脂质变化可能与脂质代谢改变有关，而非脂质合成。 因此，自噬是脂质代谢的关键，参与了包括TAG水平调节、LD合成和/或代谢以及生物膜脂质成分降解在内的各种生物过程（图3）。然而，在LD合成或降解过程中调控自噬的条件以及调节机制还有待进一步研究。此外，最近还发现自噬在生殖器官的脂质代谢中发挥重要作用，这也为通过调节自噬作用，提高油料作物生产力的生物技术策略开辟的新的道路。 图3 自噬在调节脂质代谢中可能发挥的作用 (1)自噬介导细胞器膜脂质降解，并促进脂滴(LD)生成；(2)LDs直接被细胞质中的脂肪酶降解，或通过选择性脂噬转运至液泡中进行进一步降解；(3)破坏自噬将影响正常的脂质代谢，生成超过细胞毒性临界点的脂肪酸(FAs)，引发活性氧(ROS)积累，最终导致细胞死亡；(4)自噬是维持过氧化物酶体和线粒体正常运转所必需的，能确保FA的β-氧化和乙酰CoA氧化以维持能量产生。SDP1：糖依赖蛋白1；TCA：三羧酸 5. LDs之外：自噬维持细胞器脂质代谢 除了LD分解代谢外，从脂质中获取能量可以分为两个部分（从空间上）：FAs降解为乙酰CoA和β-氧化生成ATP。因此，过氧化物酶体中的LD降解、β-氧化以及线粒体的呼吸作用对于合理利用脂质至关重要。线粒体和过氧化物酶体都是潜在的ROS来源，对其控制及维持依赖于适当的自噬过程。 在植物细胞中，脂肪酸的β-氧化、乙酰CoA的生成以及产生副产物过氧化氢(H2O2)这一整个过程都是在过氧化物酶体中发生的。虽然抗氧化酶能清除ROS，但过氧化物酶体仍然可能损坏而需要修复。因此通过自噬（过氧化物酶体自噬）选择性降解过氧化物酶体对于植物过氧化物酶体的控制尤为重要。在拟南芥幼苗中，如果过氧化物酶体自噬紊乱，将会导致含有无活性过氧化氢酶的过氧化物酶体大量积累。在光形态发生阶段，过氧化物酶体自噬在乙醛酸循环体向叶片过氧化物酶体转化的过程中同样发挥着重要作用。此外，在发育以及胁迫引起的衰老过程中过氧化物酶体也表现出较高的活性，这可能与这些条件下过氧化物酶体的维持有关。 在酵母和哺乳动物细胞中，选择性自噬性分解线粒体（线粒体自噬）已经作为一种主要的线粒体清除机制而为人们所熟知。尽管目前已经提出了一些可能的机制，但植物中的线粒体自噬还存在争议。此外，也有一些研究提出在植物中存在通过自噬选择性更新线粒体。当线粒体代谢处于基础水平时，可以通过线粒体自噬不断取代已丧失功能的线粒体；而在氧胁迫和衰老等线粒体活性较高的条件下，线粒体自噬也更加活跃。 在发育和碳诱导衰老的过程中，叶绿体、线粒体和过氧化酶体将会重新调整可供选择的代谢底物以满足细胞所需的能量。由于叶绿体是一个蛋白质和脂质的重要存储“库”，毫无疑问，在发育或诱导型衰老过程中叶绿体会被首先消化回收。自噬在叶绿体中蛋白质的更新中也发挥着重要作用，然而有研究证明，独立的自噬途径更可能介导叶绿体脂质的更新。与叶绿体不同，必须维持线粒体和过氧化物酶体的完整性和活性，直到衰老的最后阶段。这是因为细胞代谢的直接调控底物是氨基酸和FAs的代谢，而非糖类。 叶绿体膜上含有大量的甘油脂，并且具有独特的脂质结构：质体小球(PGs)。PGs是一种由单层脂膜构成的球状LDs，与类囊体膜的间质小叶连接，这一结构使得PGs与类囊体膜能发生脂质交换。当细胞衰老时，PG的数量和大小增加，同时伴随着类囊体和色素的分解。这一过程与叶绿体释放的脂质和叶绿素降解释放的叶绿醇发生酯化作用产生的FA-植酸酯（FAPEs）的积累有关。PGs中FAPEs的生成可以看作植物防止有毒物质（如游离FAs和叶绿醇）积累的一种防御机制。 此外，在碳饥饿条件下，叶绿体储存的脂质可以作为植物的能源，如果破坏β-氧化将导致FA和PG积累，进而导致细胞提前死亡。尽管PGs能储存脂质并到其他细胞器中降解代谢，但PG是如何从叶绿体中出去的，目前尚不清楚。衰老西瓜叶片的超微结构分析表明，叶绿体外膜上产生的含有PGs小泡可以将PGs运输至细胞质中，但这个转运机制仍不清楚。 在胁迫和衰老过程中，自噬发生于叶绿体的更替，目前已经发现多种由自噬介导的叶绿体降解。但在胁迫条件下，叶绿体降解以及类囊体蛋白丢失是否是atg突变株的标志性表型仍具有争议，有人推测如果缺乏自噬，将导致叶绿体稳态紊乱，进而引起叶绿体降解。叶绿体自噬小泡很可能与叶绿体蛋白质的分隔有关，但目前还没有证据表明自噬可以转运叶绿体脂质。最近发现在缺乏自噬的植物的脂质图谱出现巨大变化：在任意生长条件下，拟南芥atg5和玉米atg12突变株均表现为较低水平的主要叶绿体脂质——单或双半乳糖二甘油三酯(MGDGs)，显然这是叶绿体解体的显著表型；而且玉米atg12突变株表现为PG相关蛋白水平降低，但PG相关的代谢物无显著变化。因此，这一证据支持自噬是维持叶绿体而不是细胞器中脂质代谢所必需的推论。当然，其它独立的自噬途径可能会优先作用于叶绿体脂质和PGs的新陈代谢。 最近，一项研究揭示了自噬与细胞器维持以及脂质代谢之间的联系。通过对玉米和拟南芥自噬突变株的脂质组学和蛋白质组学分析，发现其线粒体和过氧化物酶体的蛋白大量积累，同时伴随着脂质图谱的变化。在玉米atg12突变株中表现为过氧化物酶体蛋白以及游离FAs和脂质代谢中间产物的积累，这表明FA氧化受阻，其中atg12突变株中高水平的β-氧化蛋白的出现并不意味着过氧化物酶体活力的增加，与此相反，这更可能是功能失调的过氧化物酶体的积累引起的自噬损伤。类似的，蛋白质组学分析显示，无论是在正常或低水平硝酸盐和/或硫酸盐供应的条件，拟南芥atg5突变株中的过氧化物酶体、线粒体以及ER蛋白均存在积累，具体来说，即与三羧酸(TCA)循环、β-氧化和糖酵解相关的蛋白增加。但这一现象的出现，与叶绿体脂质以及未达到可检测水平的TAG存在联系，也就是说，与前面所述的玉米突变株不同，这一现象是由更活跃的过氧化物酶体和/或线粒体活性引起的，而并非由于细胞器自噬损伤造成。 此外，实验也证实拟南芥atg5突变株中与ER和ER应激相关的蛋白也有所增加。ER不仅是脂质产生和自噬生物发生的关键位点，同时它自身还是选择性自噬的靶点。自噬缺乏导致的ER稳态紊乱同样也能影响脂质和LD的生成。在自噬缺乏的突变株中PDAT1蛋白的积累与ER中TAG和LD的组装有关，由于LD转化的增加可能是因为TAG没有达到可检测水平，因此需要进一步的LD动态分析解决这一问题。考虑到内质网与自噬体的生物发生有关，因此自噬体形成损伤也可能会引发内质网中无法转运脂质的异常积累：例如PI和磷脂酰乙醇胺（PE）是参与自噬体形成的主要脂类，而在atg5突变株中就发现PI和PE存在积累。一般认为未折叠蛋白是造成内质网胁迫的主要因素，但自噬的生物发生引起的脂质失衡是如何影响内质网脂质代谢也将是一个有趣的课题。 总的来说，这些研究表明，自噬能影响脂质稳态，引起过氧化酶体、线粒体和ER蛋白的积累。但仍需要进一步的研究证明，这一现象是由于过高的细胞器活性导致脂质成分无法降解，还是仅仅由于自噬受损而导致无法正确回收氧化细胞器。除此之外，还需要进一步的研究查明磷脂的积累是否是由于LD生物发生受损或细胞器自噬破坏引起，以及自噬介导的内质网稳态维持是如何影响LD的产生的。 结论 近年来的新发现逐渐显示出自噬在脂质代谢中的重要地位，该综述通过一个简易的模型表现出自噬在脂质和膜循环各方面的作用（图3）。最近的几项研究也强调自噬系统的复杂性，表明自噬是胁迫条件下维持产生能量的细胞器（线粒体、叶绿体和过氧化物酶体）所必需的，因为自噬作用可以清除受损或潜在的过度生产能量的细胞器，促进脂质分解代谢，避免细胞死亡，但目前只有一些零碎的实验结果可以用于探讨植物脂噬调节机制以及差异选择性自噬途径对脂质稳态的影响。该综述强调，更好的理解这些机制将很有可能转化为实际生产力，例如可以改善植物性能以应对由于衰老和非生物胁迫引起的能量限制。此外，脂质代谢调控也无疑将是油料作物油储备管理代谢工程的一个潜在目标。 |
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