細胞外pH對于動物、植物、微生物的生長發育以及免疫都起著重要的調控作用。例如人體血液pH維持在7.35-7.45，位于細胞膜表面的絡氨酸受體激酶(RTKs)，G蛋白偶聯受體(GPCRs) 及氫離子敏感離子通道能夠感應血液pH的細微變化，調節人體生長發育、免疫應答等過程。細菌也能通過多種酸性或堿性敏感的膜表面蛋白復合體感應環境pH變化，調節自身信號通路。
植物細胞外pH呈酸性(pH 5.7)，許多生理和外界環境因素都會引起胞外pH的改變。上世紀七十年代，科學家提出了植物 “酸生長理論” ，猜想生長素能夠激活細胞膜上的H+-ATP酶引起胞外pH酸化，松弛細胞壁，從而促進細胞生長。上世紀九十年代，科學家發現植物激發免疫反應會引起胞外pH堿化。該現象會在病原菌入侵的幾分鐘之內發生，并持幾十小時。過去幾十年間，胞外pH堿化一直被作為植物免疫反應的標志之一。尤其是在病原菌相關聯分子模式(PAMP)激發的免疫反應(PTI)研究中，植物免疫學家利用胞外堿化作為指標，成功鑒定出了許多重要PAMP免疫分子的活性形式。不僅是生物脅迫，非生物脅迫，如干旱、鹽堿也都會引起胞外pH的快速堿化。然而免疫脅迫引起的胞外堿化的生物學意義仍不清楚。此外，氣候、肥料、微生物也都會引起土壤pH的改變。許多研究發現外界環境pH的變化能夠顯著地影響植物基因表達，表明植物具備感應外界pH 的能力。然而植物如何感知胞外pH變化仍是一個未解之謎。
郭紅衛/柴繼杰合作團隊首先通過HPTS染色原位觀察到植物根尖分生組織細胞外呈現相對酸性的pH環境。當對植物處理免疫小肽Pep1或病原菌相關分子模式(PAMP)時，根尖分生區胞外pH會迅速升高，表明免疫反應會引起根尖分生組織胞外堿化。同時 Pep1激發的免疫反應顯著地抑制了根尖分生組織生長。進一步實驗表明，Pep1引起的免疫反應抑制了促進根干細胞生長的小肽激素RGF1信號通路，降低了根尖生長發育關鍵轉錄因子PLT1/2的表達。有意思的是，Pep1引起根尖胞外堿化的區域與RGF1和PLT1/2表達區域高度吻合，且RGF1是分泌型小肽信號分子，與受體相互作用發生在胞外，因此研究人員猜測是否是免疫引起的胞外堿化影響了RGF1信號通路。研究人員利用H+-ATP酶抑制劑或是直接升高培養基pH來模擬免疫反應引起的胞外堿化，結果與猜想一致，胞外堿化本身便足以抑制RGF1信號通路，進而證明RGF1信號通路能夠響應胞外pH變化。
研究人員進一步探究，利用生化、遺傳、結構等綜合手段，揭示了RGF1信號通路感應胞外pH的分子機制。研究發現，分泌型小肽信號分子RGF1上有一個磺酸化修飾(sY)，該修飾對于RGF1小肽與其細胞膜表面受體(RGI/RGFR)結合至關重要。當胞外的pH維持在酸性環境時，RGF1的磺酸化修飾(sY)處于質子化狀態，與受體上的RxGG 基序有強烈的氫鍵相互作用，介導了小肽與受體的互作，從而誘導了受體和共受體復合物的形成，激活了下游信號通路。當胞外的pH發生堿化時，RGF1的磺酸化修飾(sY)被去質子化，與受體的相互作用大大減弱，從而不能誘導受體和共受體復合物的形成，阻斷了下游信號通路的激活。
此外研究人員還發現，不僅RGF1信號通路能夠感應胞外pH的變化，Pep1介導的免疫信號通路也能響應胞外pH的變化。有意思的是，與酸性依賴的RGF1生長信號通路截然相反，Pep1免疫信號通路呈現出堿性依賴。免疫引起的胞外堿化會進一步促進Pep1激發的免疫反應。進一步研究表明，Pep1受體PEPR上有許多酸性氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)參與了Pep1小肽識別。當胞外的pH維持在酸性環境時，天冬氨酸和谷氨酸處于質子化狀態，破壞了Pep1與受體的相互作用，阻礙受體和共受體復合物的形成。當胞外的pH發生堿化時，天冬氨酸和谷氨酸處于去質子化狀態，小肽與受體的相互作用大大增強，從而促進了受體和共受體復合物的形成，激活下游免疫信號通路。
值得一提的是，研究人員還嘗試將RGF1受體與Pep1受體的胞外結構域進行了替換，發現當把RGFR的胞外域替換為PEPR的胞外域后，根尖分生組織由RGF1介導的酸性依賴生長，逆轉成了Pep1介導的堿性依賴生長，從而進一步證實了RGF1信號通路和Pep1信號通路通過受體復合物胞外區直接感應胞外pH變化。
綜上所述，該研究首次發現了植物胞外pH的感應器，揭示了植物細胞膜表面小肽受體復合物能夠感應胞外pH的變化，調控植物生長發育與免疫。同時該研究還揭示了 “胞外堿化”這一植物免疫反應標志，能夠作為一個信號分子調控植物生長及免疫的進程，減緩生長，增強免疫，從而優化能量，增強環境適應性。此外，酸性依賴的RGF1信號通路促進根尖分生組織生長的機制，進一步完善了 “酸生長理論”。該研究也為未來農業生產中利用 “酸堿調控”來調節作物生長、抗病、抗逆，提供了理論基礎和新的方向。
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https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.012
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