今年5月,美国德州农工大学何平教授、单立波教授与山东建筑大学侯书国教授在Nature主刊合作发表了相关研究,发现了一类新的调控免疫和水分流失的分泌小肽SCREWs,阐明了SCREWs参与植物重新打开气孔的分子机制。这也是山东建筑大学首篇Nature主刊文章。
植物基因里编码数以千计的小肽,而其中多数小肽的功能仍是未知的。一些小肽是植物免疫的细胞因子,被驻扎在细胞表面的受体激酶所感知。作者首先分析了拟南芥小肽合成基因的转录组学,发现受细菌鞭毛蛋白刺激时,一些小肽的合成会明显提高,并且这些小肽具有保守的C端(图1)。用这些小肽处理种苗后,发现小肽诱导激活了MAPKs(mitogen-activated protein kinases),及包括WRKY30,WRKY333,WRKY353和FRK1在内的多种PTI(pattern-triggered immunity)标志物的表达,并且证明了C端保守的两个半胱氨酸(CC)对诱导免疫反应十分重要。体内实验发现这些小肽直接决定了拟南芥是否易感染Pst DC3000(Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000)。由此作者鉴定这些小肽为一类新的植物细胞因子,被命名为SCREWs(SMALL PHYTOCYTOKINES REGULATING DEFENSE AND WATER LOSS)。
图1 细胞因子SCREWs的序列比对
作者的下一步是找到SCREWs的受体。受体激酶,特别是LRR-RKs(leucine-rich repeat receptor kinases)是很多内源肽的受体。作者筛选了拟南芥的受体激酶,发现NUT(AT5G25930)介导了SCREWs诱导的免疫反应。为了确定NUT是不是SCREWs的直接受体,作者使用Biacore T200,通过把NUT胞外域固定在CM5芯片上,SCREWs作为分析物流过芯片,检测得到SCREW1与NUT的亲和力达到12.95μM,SCREW2与NUT的亲和力达到6.23μM(图2)。
图2 Biacore鉴定SCREWs的受体NUT(pH 7.5)
为了更加接近体内的环境,作者同样使用Biacore方法检测了pH5.7条件下SCREWs与NUT的亲和力,发现在非原质体的pH条件下,SCREWs与NUT的亲和力基本一致(图3)。
图3 Biacore检测非原质体酸碱条件(pH 5.7)下SCREWs与NUT亲和力
前面提到,SCERWs羧基端的保守半胱氨酸对诱导免疫十分重要,这里作者同样用Biacore做了体外实验的验证,结果发现保守区域半胱氨酸的突变会使SCREWs与NUT的亲和力显著降低(图4)。由此,藉由Biacore完整、可靠的实验结果,作者确定了NUT就是SCREWs的受体。
图4 关键氨基酸的突变使SCREWs与NUT的亲和力显著降低
很多LRR-PKs的受体都是BAK1和相关的SERKs,利用免疫沉淀实验发现SCREW会刺激NUT-BAK1复合物的产生后,作者同样使用Biacore检测SCREW2-NUT-BAK1三元的结合(图5)。同样把NUT胞外域固定在CM5芯片上,分析物则设置固定浓度的BAK1预混多浓度的SCREW2,并且检测NUT与单独BAK1的结合试验作为对照。结果发现,BAK1的存在显著提高了NUT和SCREW2的亲和力,达到了0.38μM。
图5 Biacore检测SCREW2-NUT-BAK1三组分的结合
除了调控免疫,作者还发现SCREW-NUT可以调控植物的水分流失。植物缺水时,ABA会促进气孔的关闭,调控植物的水分利用和耐旱性。作者发现,SCREW-NUT通过调控ABI(ABA INSENSITIVE)的磷酸化,导致ABI磷酸酶对OST1(OPEN STOMATA 1,一种介导ABA和MAMP诱导的气孔关闭的关键激酶)的活性增加,降低S型阴离子通道的活性,最终抑制气孔关闭。
总结
图6 文章整体研究思路
综上所述,团队首次发现了植物应对病原体侵染或水分缺失时,会通过SCREWs-NUT来控制气孔的重新开放。SCREW-NUT系统广泛分布于双子叶和单子叶植物中,说明本研究在优化植物对非生物和生物胁迫的适应性方面有重要作用。
Biacore作为分子互作的金标准,轻松应对信号通路的二元,三元体系研究,在研究植物生长发育和抗逆的信号通路,转录调控等方面,深受广大农业和植物科学家的信赖。Biacore可靠的实验数据,加上科学家创新又严谨的研究思路,定会加速我国科学家们在农业和植物领域的科研进展,巩固我们在此领域的领军地位。
参考文章:
Liu, Z., Hou, S., Rodrigues, O. et al. Phytocytokine signalling reopens stomata in plant immunity and water loss. Nature 605, 332–339 (2022).
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