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生命科学学院孟祥宗课题组在植物抗病机制研究中取得重要进展

花匠小妙招
2024-09-13 21:07

植物对病原微生物的抗性在很大程度上依赖于抗病次生代谢物的合成。植保素是植物在被病原菌侵染后诱导合成的、具抗菌功能的一类低分子量次生代谢物，不同科的植物往往合成不同种类的植保素。Camalexin (即3-thiazol-2’-yl-indole) 是十字花科植物特有的植保素，又被称为亚麻荠素，它是一种含硫的吲哚生物碱，也是拟南芥中最主要的植保素，在拟南芥抵抗病原菌入侵过程中发挥重要作用。健康植物中植保素camalexin的含量很低，细菌、真菌、卵菌等病原菌的侵染都能诱导拟南芥合成植保素camalexin。植保素等抗病次生代谢物在被病原菌诱导合成后还往往需要依赖于特定转运蛋白将其运输到病原菌入侵位点，才能有效发挥抗菌功能。

生命科学学院孟祥宗课题组对拟南芥中植保素camalexin的合成及转运调控机制进行了系统研究，在前期工作中揭示了钙依赖蛋白激酶CPK5、CPK6和丝裂原活化蛋白激酶MPK3、MPK6通过磷酸化它们下游的公共底物转录因子WRKY33而协同诱导植保素camalexin合成的分子机制（Zhou et al., Plant Cell 2020）；另外，还揭示了转运蛋白PEN3和PDR12通过介导植保素camalexin的跨质膜转运而提高植物抗病性的机理机制（He et al., Plant Cell 2019）。

2022年5月12日，孟祥宗课题组又在Plant Cell期刊在线发表了题为“Multilayered synergistic regulation of phytoalexin biosynthesis by ethylene, jasmonate, and MAPK signaling pathways in Arabidopsis”的研究论文，揭示了防卫激素乙烯和茉莉酸信号途径与丝裂原活化蛋白激酶MPK3/MPK6信号途径协同调控拟南芥中植保素camalexin合成的分子机制。

该研究首先发现乙烯和茉莉酸信号途径协同诱导拟南芥中植保素camalexin的合成，进而发现转录因子ERF1作用于乙烯和茉莉酸信号途径下游通过直接激活camalexin合成相关酶基因的表达而诱导camalexin合成。该研究进一步发现转录因子ERF1是丝裂原活化蛋白激酶MPK3/MPK6的底物蛋白，MPK3/MPK6通过磷酸化ERF1蛋白N末端的3个丝氨酸位点而激活ERF1的转录激活活性，从而通过ERF1与乙烯和茉莉酸信号途径协同诱导camalexin合成。此外，该研究还发现ERF1激活camalexin合成需要依赖于另一个转录因子WRKY33，并进一步揭示了ERF1与WRKY33通过形成转录激活复合物共同激活camalexin合成酶基因的表达并诱导camalexin合成。基于MPK3/MPK6可同时磷酸化激活转录因子WRKY33，该研究还发现乙烯、茉莉酸及MPK3/MPK6信号途径又可通过ERF1-WRKY33转录激活复合物而协同诱导植保素camalexin的合成。因此，该研究揭示了拟南芥中抗病激素乙烯和茉莉酸信号途径及丝裂原活化蛋白激酶MPK3/MPK6信号途径协同诱导植保素camalexin合成的分子机制，同时揭示了植物抗病过程中重要抗病激素与关键蛋白激酶的协同作用机制。

图1. 乙烯、茉莉酸、MPK3/MPK6及CPK5/CPK6信号途径协同诱导植保素camalexin合成及转运的分子机制（He et al., Plant Cell 2019; Zhou et al., Plant Cell 2020; Zhou et al., Plant Cell 2022）。

我校生命科学学院周京赓副教授为该论文的第一作者，孟祥宗教授为通讯作者。生命科学学院戴绍军教授参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金和国家海外高层次人才引进计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac139

（供稿、图片：生命科学学院）

附孟祥宗课题组近年发表的相关研究论文：

Zhou J, Wang X, He Y, Sang T, Wang P, Dai S, Zhang S, and Meng X*. Differential Phosphorylation of the Transcription Factor WRKY33 by the Protein Kinases CPK5/CPK6 and MPK3/MPK6 Cooperatively Regulates Camalexin Biosynthesis in Arabidopsis. The Plant Cell, 2020,32(8): 2621-2638.

He Y, Xu J, Wang X, He X, Wang Y, Zhou J, Zhang S, and Meng X*. The Arabidopsis Pleiotropic Drug Resistance Transporters PEN3 and PDR12 Mediate Camalexin Secretion for Resistance to Botrytis cinerea. The Plant Cell, 2019, 31: 2206-2222.

Zhou J, Mu Q, Wang X, Zhang J, Yu H, Huang T, He Y, Dai S, and Meng X*. Multilayered synergistic regulation of phytoalexin biosynthesis by ethylene, jasmonate, and MAPK signaling pathways in Arabidopsis. The Plant Cell, 2022, .