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大约在25到26亿年前，地球大气中的游离氧含量显著增加，这一现象被称为“大氧化事件”（Great Oxidation Event）。自此，地球上的生命逐渐进化出依赖有氧代谢的生存方式。在有氧代谢过程中，电子传递的泄露使得氧气能够获得电子，从而形成活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），如超氧根阴离子（O2.-）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（.OH）等。由于活性氧具有强氧化性，易对蛋白质、核酸、脂质等生物大分子造成损伤，故通常被认为是有氧代谢的副产物，需被细胞清除。
2017年，赵忠教授团队在研究中发现，植物茎顶端分生组织中的超氧根阴离子特异性富集在干细胞区域，是维持干细胞命运所必需的。一旦清除这些超氧根，干细胞便无法维持。而过氧化氢则主要分布在分化细胞中，促进干细胞分化。由此可见，超氧根和过氧化氢在功能上是拮抗的，成为调控干细胞命运的新信号分子（Zeng et al., EMBO J, 2017）。然而，超氧根在真核生物中如何传递信号，以决定干细胞属性的机制仍是一个未解之谜。
2024年9月12日，Nature Chemical Biology在线发表了赵忠教授团队的最新研究成果，题为“Control of DNA demethylation by superoxide anion in plant stem cells”。该研究解析了超氧根信号传递及其决定真核生物干细胞命运的分子机制。
为了鉴定真核生物中超氧根氧化的靶标蛋白，赵忠团队受原核生物中铁硫簇响应氧化还原状态现象的启发，着重研究了植物的铁硫簇结合蛋白。通过生物信息学分析，团队筛选出了25个在干细胞中表达的铁硫蛋白，并通过RNA原位杂交技术确定了其中一个候选蛋白—DNA去甲基化酶Repressor of Silencing 1 (ROS1)。在ros1突变体中，干细胞的维持明显受损，植物干细胞维持的关键基因WUSCHEL (WUS)的表达量显著降低。
遗传分析表明，ROS1基因介导了超氧根阴离子对WUS和植物干细胞命运的调控。在有氧条件下，通过体外溶液诱导产生超氧根，研究人员发现ROS1蛋白中的铁硫簇会被超氧根氧化。进一步分析表明，超氧根阴离子对铁硫簇的氧化能显著激活ROS1的DNA糖苷酶/裂解酶活性。这表明超氧根阴离子通过激活ROS1的DNA去甲基化酶活性，调控DNA的甲基化状态，以维持植物干细胞的命运。
为了进一步探讨ROS1介导超氧根阴离子调控干细胞维持的分子机制，研究团队利用ros1和内源超氧根缺乏的突变体进行全基因组甲基化测序，鉴定出一个在甲基化水平和转录水平响应超氧根和ROS1调控的关键基因ARR12。ARR12编码了一个细胞分裂素下游的关键转录因子，是激活干细胞关键调控基因WUS所必需的。进一步的分子生物学和遗传学分析表明，超氧根阴离子通过激活ROS1的DNA去甲基化酶活性，在ARR12基因位点去甲基化从而激活其表达，进而调控WUS表达和维持干细胞的命运。
通过对全基因组甲基化数据和干细胞表达谱的联合分析，研究团队发现干细胞区域约40%的基因受ROS1介导的超氧根信号的调控。这表明在植物中，超氧根信号通过调控DNA去甲基化，广泛参与了植物干细胞基因组水平的甲基化稳态调控。该论文在同行评议过程中，得到了三位审稿人的高度评价，认为其研究结果是改变游戏规则的发现，并可能极大地改变当前的认知。
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