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Plant Cell | 西北农林科技大学单卫星团队揭示植物广谱抗病性调控新机制

花匠小妙招
2024-11-20 13:58

责编 | 王一

2022年3月9日，西北农林科技大学单卫星教授课题组在The Plant Cell发表了题为A Mitochondrial RNA Processing Protein Mediates Plant Immunity to a Broad Spectrum of Pathogens by Modulating the Mitochondrial Oxidative Burst的研究论文，发现并揭示了参与线粒体RNA加工的PPR蛋白RTP7及其调控植物免疫的分子机制，系统证明了线粒体活性氧（mROS）参与调控植物对多种不同类型病原菌的广谱抗性。

活性氧（ROS）是植物抗病过程中的重要信号分子，ROS既可作为毒性分子直接杀死病原菌，同时也作为信号分子参与激活免疫信号通路。一般认为，位于细胞膜上的RBOHD和RBOHF蛋白产生的ROS是植物抵御病原菌侵染的最主要的ROS来源。线粒体ROS（mROS）在动物生长发育、应对病原侵染过程中发挥重要调控作用，但目前对mROS在植物免疫调控的研究十分有限。

卵菌 (Oomycetes) 是一类包括疫霉属（Phytophthora）在内的真核微生物。目前已知的疫霉属的120余种均为植物病原菌，可侵染包括马铃薯、大豆、烟草等重要粮食作物与经济作物，包括马铃薯晚疫病等毁灭性的作物病害。与其他病害防控一样，抗病品种的培育和利用是作物疫霉病防控的最经济有效的途径，但由于疫霉菌的毒性变异和进化速度快，品种抗性丧失问题突出，探索和利用植物免疫新基因具有重要的理论和实践意义。

单卫星团队借助模式植物—疫霉菌亲和互作体系，通过抗病突变体鉴定和分析，鉴定植物免疫负调控因子，研究植物对疫霉菌感病的遗传基础，探索抗病育种新策略。研究过程中，成功鉴定获得多个植物免疫负调控因子，命名为RTP（resistance to Phytophthora parasitica）基因。其中RTP7编码一个PPR蛋白。细胞核编码的PPR家族蛋白是参与线粒体和叶绿体RNA转录后修饰的重要蛋白家族，在植物生长发育过程的调控作用有一定的研究，但对PPR蛋白是否参与调控植物免疫的研究有限。

为解析RTP7调控植物免疫的机制，研究人员通过创制RTP7突变体、过表达和回补转化株系，结合免疫功能分析，进一步确认了RTP7是一个新的植物免疫负调控因子。通过利用分子生物学和细胞学方法对RTP7的生物学功能的分析，发现RTP7是一个定位于线粒体的P-亚家族PPR蛋白，参与线粒体电子传递链复合体I亚基nad7转录本的内含子剪接。进一步通过创制以rtp7为背景的线粒体nad7基因的回补转化株系，结合生物化学和细胞学观察，证明RTP7通过调控线粒体nad7转录本的内含子剪接，调控线粒体复合体I的活性和mROS的产生。同时，接菌分析表明nad7为RTP7调控植物免疫的关键下游基因。

图1 RTP7参与调控复合体I活性和mROS水平

为进一步探究mROS是否参与植物免疫及其在RTP7调控植物免疫中的作用，借助荧光显微观察，研究人员发现mROS累积响应PTI以及病原菌的侵染，并且rtp7抗病突变体表现出较野生型更强的mROS水平。进一步利用特异的线粒体ROS清除剂处理，结合接菌分析，发现高水平的mROS是rtp7抗病突变体表现更强抗性的关键因素。

为进一步分析mROS与质膜定位的NADPH 氧化酶RBOHD和RBOHF介导的质外体ROS的关系，通过创制rbohD rtp7双突变体和rbohD rbohF rtp7三突变体，结合RBOH氧化酶活性抑制剂处理，通过分子生物学和细胞生物学方法以及接菌分析，发现质外体ROS不是rtp7突变体抗病的关键机制，同时mROS介导植物抗病突变体rtp7的抗病性。

利用实时荧光定量PCR技术分析rtp7抗病突变体是否参与植物免疫信号通路，发现rtp7突变体激活了SA信号通路PR1、CBP60g和PAD4的表达。结合ROS清除剂处理分析，发现CBP60g和PAD4的上调表达依赖于rtp7抗病突变体较高水平的ROS；同时发现外源SA处理，负向调节RTP7基因的表达，这些结果说明RTP7可能通过ROS调控SA信号通路转导，同时RTP7和SA信号通路之间存在反馈调控。

为进一步分析抗病突变体rtp7介导的抗性是否具有广谱性，研究人员通过对RTP7相关突变体和植物转化材料的接菌分析发现， RTP7通过调控nad7负调控植物对包括番茄灰霉菌、立枯丝核菌、丁香假单胞菌和辣椒疫霉菌在内的多种不同类型病原菌的抗性。

生物信息学分析发现，RTP7广泛且保守的存在于上百种单子叶和双子植物。为进一步分析其免疫功能的保守性，研究人员通过VIGS技术在本氏烟和番茄中沉默其同源基因，结合接菌分析，发现沉默RTP7增强了本氏烟和番茄对致病疫霉菌的抗性，进一步的分子机制分析也发现RTP7在本氏烟中以保守的分子机制调控免疫反应。

图2 RTP7在不同植物中具有保守的免疫功能

该研究发现线粒体定位的PPR蛋白RTP7通过影响nad7亚基转录本的内含子剪接，调控线粒体复合体I的活性并影响mROS的产生，同时参与激活SA信号通路；mROS介导的免疫调控对多种不同类型的病原菌表现一致的抗病性；研究发现RTP7广泛存在于单子叶和双子叶植物中，具有保守的免疫功能。以上结果为后续利用RTP7开展包括马铃薯在内的重要粮食作物的抗病育种奠定了基础。