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朱旺升团队Molecular Cell：揭示植物新型钙离子通道ACD6调节免疫反应的机制

花匠小妙招
2024-09-13 21:09

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学 Life science

2023年11月22日，中国农业大学植物保护学院朱旺升研究团队联合德国马普生物学研究所（图宾根）Detlef Weigel实验室在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Cell在线发表了题为“Small proteins modulate ion channel-like ACD6 to regulate immunity in Arabidopsis thaliana”的研究论文，解析了ACD6调控植物免疫的分子机制。该研究发现ACD6具有和动物TRP钙离子通道具有相似的结构特征，并且在不同异源表达体系中均具有钙离子通道活性；同时拟南芥小肽MHA1 (Modifier of Hyperactive ACD6 1)和MHA1L (MHA1 Like)在模式识别受体激活下通过调节ACD6的聚合状态控制ACD6的钙离子通道活性进而调控植物的免疫反应，揭示了ACD6作为小肽门控离子通道调控植物免疫反应的分子基础和工作模式。

中国农业大学植保学院陈俊斌博士、德国马普生物研究所（图宾根）李磊博士（现中科院遗传与发育生物学研究所研究员）、美国杜克大学Jong Hum Kim博士（现韩国浦项科技大学助理教授）、德国霍恩海姆大学Benjamin Neuhäuser博士为论文共同第一作者，中国农业大学植保学院朱旺升教授和马普生物研究所（图宾根）Detlef Weigel教授为共同通讯作者。德国霍恩海姆大学刘昶教授和Uwe Ludewig教授，美国杜克大学Pei Zhen-Ming教授和He Sheng-Yang教授等人参与了该工作。该研究得到了中国农业大学2115人才发展计划、国家重点研发计划和教育部111引智基地的支持。

钙信号作为细胞重要的第二信使，在动植物生长发育和免疫调控中扮演重要角色，控制钙离子内/外流的离子通道是其中的重要组分。近年来植物免疫领域鉴定并解析了多个钙通道在植物免疫中的作用机制，包括在动植物中广泛分布的GLR (Glutamate Receptor-Like Proteins)家族和CNGC (Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channel) 家族钙通道、植物特有的OSCA (Hyperosmolality-induced [Ca2+]cyt increase channel)家族钙通道、NLR (Nucleotide-Binding Domain Leucine-Rich Repeat Receptor)抗病小体构成的钙通道以及非经典钙通道蛋白卫青(WeiTsing)。除此之外，植物中还存在一类蛋白与动物TRP (Transient Receptor Potential) 钙通道蛋白家族具有相似的堆积结构，即ANK重复结构串联多次跨膜结构的蛋白(ANK-TM)，抗病蛋白ACD6 (Accelerated Cell Death 6)是其中一个典型代表。这类蛋白在植物中广泛参与了植物免疫反应的调控，其是否具有类似TRP蛋白的钙通道活性，并通过其钙通道调控植物免疫反应还是未知的。

编码多次跨膜蛋白的基因ACD6是拟南芥中调控植物免疫与生长平衡的重要基因，现有的研究表明ACD6可能与模式识别受体组成复合体参与植物免疫反应的调节，贡献对多种植物病原菌的抗性(Rate et al., 1999, Plant Cell; Zhang et al., 2014, Molecular Plants)。拟南芥生态型Est-1基因组编码的ACD6-Est-1由于跨膜结构域的两个关键氨基酸的变异，可以增强植物对病原菌的抗性，同时导致拟南芥出现自免疫表型(Todesco et al., 2010, Nature)。但是，并不是所有含有这两个氨基酸变异的生态型均具有自免疫表型，暗示自然群体中存在调控ACD6-Est-1活性的遗传因子(Zhu et al., 2018, PLoS Genetics)。为定位ACD6-Est-1的遗传抑制因子，作者利用拟南芥野生群体重测序数据 (https://1001genomes.org/) 分析了超过1000个拟南芥生态型的ACD6编码基因组序列，确定了携带ACD6-Est-1基因型的84个拟南芥生态型，并针对该群体的自免疫表型进行了全基因组关联分析(GWAS in sub-population)，克隆并验证小肽编码基因MHA1的自然变异调控ACD6-Est-1的功能。

小肽MHA1编码基因在不同植物中广泛分布，且多数十字花科植物含有有两个拷贝基因，即MHA1和MHA1L。通过对拟南芥MHA1和MHA1L的单突变体和双突变体的分析发现，MHA1和MHA1L参与调节拟南芥分子模式激活的免疫反应(PTI, Patterns-triggered immunity)，其中MHA1L起主要作用，并且过表达MHA1L可以增强植物免疫反应导致低温敏感的自免疫表型。随后，作者针对MHA1L过表达材料进行了EMS处理筛选了72表型恢复突变体，为寻找抑制MHA1L过表达介导自免疫表型的遗传抑制因子，作者采取了一个快速基因定位的策略：即不采用传统构建分离群体的遗传分析方法，而是直接对72个抑制子进行基因组重测序，通过比对不同抑制子携带的突变，发现超过一半抑制子(37/72)的ACD6基因均携带EMS诱发的突变，暗示ACD6基因可能是MHA1L的下游调控组分。随后的遗传和生化分析进一步验证和明确了MHA1L通过直接结合并促进ACD6多聚化的分子机制。值得一提的是，沙特阿卜杜拉国王科技大学王亚军博士（现中国科学院分子植物卓越中心PI）最近关于小麦叶锈病抗性基因定位的工作也用到类似“不依赖分离群体快速定位基因”的研究方法(Wang et al., 2023, Nature Genetics)。

这种小肽分子激活跨膜蛋白的工作模式促使作者思考MHA1L和ACD6之间的关系是否类似于哺乳动物的小肽门控通道。通过对ACD6蛋白结构的预测和比对，发现ACD6和哺乳动物TRPA蛋白具有相似的结构堆积方式，由此推测ACD6可能具有与TRPA相似的生化功能，即离子通道活性。在非洲爪蟾卵母细胞和人类肾细胞HEK293表达系统中，均检测到ACD6具有钙离子通道活性，并且ACD6-1突变或共表达MHA1L均可增强ACD6钙通道的活性；相应的，降低环境中的钙离子浓度可以缓解拟南芥acd6-1突变体的自免疫表型；而且，acd6和mha1l失活突变均导致分子模式flg22诱导的钙离子内流信号减弱。这些结果表明MHA1L通过调控ACD6钙离子通道活性参与植物免疫反应的调控。至此，作者通过一系列的遗传和生化实验，揭示了植物中广泛存在的一类ANK-TM蛋白的生化功能，并鉴定到一个可以直接激活ANK-TM通道活性的小肽分子，为研究其它ANK-TM蛋白的生物学功能提供了新的研究思路。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请朱旺升教授和陈俊斌博士代表研究团队接受了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

ACD6与之前报道植物免疫相关钙离子通道有什么异同？

陈俊斌博士：

近年来，植物免疫领域中报道了多种调控免疫反应的的钙离子通道，包括GLRs、CNGCs、OSCA、NLRs以及WeiTsing（卫青）等。在定位方面ACD6与GLRs、CNGCs、OSCAs相似，具有典型的跨膜结构域，定位在膜系统上；而NLRs则在激活后，产生构象变化才能开启跨膜通道。在激活信号上，MHA1L-ACD6经模式识别受体激活，与CNGCs和OSCAs相似；GLRs本身既是信号受体也是钙通道，而不同类型NLRs识别不同信号或者配体，具体机制各有差异。在工作模式上，ACD6的工作机制虽然还有待进一步研究，基于目前结果表明ACD6可能与NLRs相似，在小肽配体激活下，形成大分子量的复合物进而形式激活其通道活性，而GLRs、CNGC、OSCA则是在预先装配复合体上进行通道开闭的调控，而WeiTsing则具有自组装通道能力，主要受病原菌诱导的转录水平调控，是否存在其他调控模式有待进一步研究。总的来说，虽然这些钙通道在植物免疫中均扮演着重要角色，但不同钙通道在不同的信号途径中具有一定偏好性，各个通道各司其职共同防卫病原菌的入侵。

CellPress：

你们的研究有哪些重要的意义？

朱旺升教授：

作为植物免疫中的重要调控因子，ACD6发现至今已有20多年，但其生化功能和工作机制一直未被解析。我们的研究揭示了ACD6的钙通道活性及其工作机制，解决了多年悬而未决的科学问题。我们同时发现了植物钙通道的新工作模式：小肽门控工作模式。小肽门控模式是动物TRP通道的重要调控机制，我们的研究进一步将这种机制扩展到植物当中。同时由于MHA1L-ACD6同源蛋白在植物中广泛存在，我们的研究为ACD6类似蛋白ANK-TM的生物学功能研究提供了理论基础，将为作物抗病机制的研究提供新的思路，并为创造新的抗病作物提供潜在的编辑或改良靶标。此外，本研究表明基于自然群体的变异分析可以为理解植物免疫提供新的研究思路；同时，本研究对植物抗病基因定位方法进行了新尝试，即“不依赖分离群体的快速基因定位策略”，为作物抗性基因定位提供了借鉴。

作者介绍

朱旺升

教授

朱旺升，中国农业大学植物保护学院教授、博士生导师。2005年本科毕业于华中农业大学，2008年硕士毕业于东华大学，2008-2010年期间任北京冷泉港生物科技有限公司小动物活体成像技术专家，2014年在澳大利蒙纳士大学获得博士学位，2019年09月在德国马普生物学研究所（图宾根）博士后出站，同年10月以“杰出人才”引进入职中国农业大学，组建植物抗病分子遗传实验室。现任植物生物安全系主任，院学术委员会和学位委员会委员，第十二届中国植物病理学会理事和副秘书长（2022-2026），农业农村部植物检疫性有害生物监测与防控重点实验室学术委员会委员，Frontiers in Plant Science编委。研究方向为植物抗病遗传，主要研究植物响应环境因子和生物胁迫的遗传基础，发现了一类调控植物先天免疫的受小肽调控的新型钙通道，并揭示了病原菌靶标植物免疫中枢的分子机制和植物演化的攻防策略。近年来，致力于玉米真菌病害禾谷镰孢菌致病机制和玉米抗病基因挖掘和利用研究。以第一作者或通讯作者（含共同）在Molecular Cell, Cell Host & Microbe, Genome Biology, Plant Physiology和PLoS Genetics等国际重要学术期刊上发表多篇研究论文，获批发明专利1项。（实验室网页：https://www.labxing.com/zhulab）。