【Nat Communi】研究发现CEP信号协调植物免疫反应

学术 2024-12-23 22:32 上海

来源：PBJ

受体激酶（receptor kinases，RKs）可以感知植物外部和内部的信号，控制植物生理的多个方面，包括从生长发育到植物免疫和非生物胁迫耐受性。植物也会感知内源肽来调节其生长发育过程，近年来的研究中发现，被称为植物细胞因子的特异性多肽在控制植物免疫方面发挥着重要作用，其表达往往受到PTI激活的调节，除此以外，也会进一步调节多种非生物胁迫反应，包括盐胁迫、干旱以及营养缺乏等，但不同的肽介导的途径是如何进行协调作用仍然是未知的，也是研究人员们关注的热点问题。

近日，来自德国慕尼黑工业大学生命科学学院的Martin Stegmann团队，在《Nature communications》杂志发表了题为“CEP signaling coordinates plant immunity with nitrogen status”的文章。该研究确定了C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDEs（CEPs）是拟南芥中一类具有免疫调节功能的植物细胞因子，证明了相关的受体激酶RLK7是CEP4的特异性受体，有助于CEP介导的免疫反应，并证实了CEPs及其受体以氮依赖的方式来促进植物免疫。

图1 CEP诱导植物免疫反应

作者首先鉴定到CEP家族的一个特定成员CEP4，在flg22处理后呈现差异表达，并发现CEP4的表达存在组织特异性，CEP4属于I类CEP，但与其他家族成员相比，其结构有所不同，仅有两个脯氨酸残基。为了检测CEP4是否会参与免疫反应，作者利用全长CEP4前体序列，构建组成型过表达系，发现其对PtoCOR-的感染表现出更强的抵抗力（图1A），CEP4的应用也可以激活剂量依赖性的PTI输出，包括钙离子在细胞中的流速变化（图1B），MAPKs的激活（图1C），乙烯的产生（图1D）以及PTI标记基因FRK1的表达（图1E）。在pFRK1::NLS-3xmVenus 幼苗的脉管系统中，CEP4会在细胞核中表现出黄色荧光（图1F），这表明CEP4诱导的免疫反应具有一定的组织特异性，同时也发现CEP4的处理会影响幼苗生长，对Pto DC3000侵染产生抗性（图1G、1H）。作者为了验证CEPs在植物免疫中的关键作用，通过CRISPR-Cas9技术创建突变体cep6x，结果发现突变体没有明显的形态缺陷，但对PtoCOR-和Pto DC3000的感染表现出较差的抗性（图1I），同时作者也进一步利用组成型35S启动子进行突变体cep6x的回补实验（图1J），结果均表明CEPs对于抵抗细菌侵染具有重要的作用。

图2 CEPR1和CEPR2是CEP4受体，是植物免疫的重要决定因素

CEPs可以与CEPR1和CEPR2结合，这两个受体是LRR亚家族XI的富含亮氨酸重复序列的受体样激酶（LRR-RLKs）。作者创建了cepr1-3 cepr2-4（cepr1-3/2-4）双突变体，发现其对PtoCOR-感染更加敏感（图2A）。作者检测了双突变体cepr1-3/2-4对种子萌发抑制（SGI）的影响，结果发现没有显著的变化（图2B），同样在对系统性抗性的检测中也呈现不敏感的结果（图2C），同时也进一步通过ITC实验测定了CEP4与CEPR1和CEPR2的定量结合（图2D-G）。在表型实验的观察中，作者发现cepr1-3或cepr2-4植株，在flg22诱导后FRK1和PR1的表达减少了，在双突变体中这种减少更为显著，并且表现出对flg22诱导的Pto DC30000感染抗性的损害（图2H、2I）。这些实验结果均表明CEP与CEPR之间的协调作用在调节拟南芥细胞免疫反应中发挥着关键的作用。

图3 RLK7是CEP4的特异性受体

其次，作者展开深入研究来验证CEPR1和CEPR2在CEP4诱导的信号传导中的作用。作者发现cepr1/2AEQ在CEP4处理下并没有显示出钙离子内流的受损（图3A），同样也发现MAPK的激活没有受到影响，且双突变体中FRK1的表达仅仅部分减少（图3B），这一结果表明可能有其他的受体参与了对CEP4的感知。由于CEPR1和CEPR2与IKU2密切相关，参与植物的发芽生长、侧根形成等过程，同时也与RLK7相关，而RLK7可以感知内源的病原相关分子诱导的肽。作者验证了iku2-4、rlk7-1和rlk7-3是否与CEP4有关，结果发现rlk7-1和rlk7-3表现出CEP4诱导的MAPK激活显著降低（图3C），单突变体中在CEP4触发的钙离子内流中也呈现受损状态（图3D），在三重突变体的验证中发现，CEP4诱导的钙离子内流和MAPK激活均被消除了（图3E、3F）。作者同时也验证了CEP4处理对Pto DC3000的抗性，并通过ITC实验方法证实了CEP4与其受体蛋白的体外结合（图3G-3L）。结果表明，RLK7在遗传上发挥了主导作用，是CEP4的特异性受体。

图4 CEP-CEP受体信号传导促进对Pto的局部免疫

作者发现cep6x突变体在接种PtoCOR-后抗性降低（图4A），不同的CEPs在Pto DC3000感染后在叶片中出现了轻微的上调表达(图4B)，通过嫁接实验，作者进一步证明了CEPR1、CEPR2、RLK7受体在叶片响应免疫反应中的关键作用（图4C）。作者也进一步探究了CEP4在组织中的表达位置，结果发现在侧根、叶片的维管束中均有表达（图4D、4E）。这些结果均表明，CEP-CEP受体信号传导可以促进对Pto的局部免疫。

图5 CEPs在低氮条件下促进FLS2信号传导和细菌抗性

最后，作者对氮供应减少情况下，CEPs和CEPs受体蛋白如何影响植物的FLS2信号传导进行了探究。通过乙烯测定实验发现，CEP4和flg22处理后，植株的乙烯含量是显著增加的（图5A），且可以提高植物对Pto DC3000的抗性（图5B），在低氮条件下，flg22诱导的MAPK激活增强，但在突变体cep6x中增强效果出现减弱（图5C-5F）。对不同浓度的氮处理实验中发现，低氮条件下，野生型植株对Pto COR-的抗性增强，而突变体中没有变化（图5G），这进一步说明CEP-CEPR信号通路在低氮条件下可以调节植株对Pto的抗性。

该研究通过多种实验方法和技术，揭示了CEP在植物免疫中的关键作用，强调了CEP-CEPR信号传导途径在植物免疫反应中的重要性，为植物如何通过内源性信号肽协调生长发育和免疫反应提供了新的见解，也为作物遗传改良提供了新的策略。

全文链接

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39681561/

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