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本文來源：山東建筑大學(xué)

近日，據(jù)山東建筑大學(xué)官網(wǎng)消息，5月4日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線發(fā)表該校侯書國團(tuán)隊(duì)一重要研究成果。這是山東建筑大學(xué)首次在Nature上發(fā)文。

山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院侯書國團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國德州農(nóng)工大學(xué)、杜克大學(xué)、法國圖盧茲大學(xué)、日本岡山大學(xué)等知名大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，通過對植物如何感受環(huán)境變化做出應(yīng)激反應(yīng)的研究，揭示了植物對病蟲害、干旱等環(huán)境脅迫因素的應(yīng)激機(jī)理。這一重要發(fā)現(xiàn)改變了人們以往對植物與環(huán)境之間相互作用關(guān)系的認(rèn)知，對于促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)和糧食安全問題具有重要意義。

綠色植物為地球生物提供食物來源，并在維持生態(tài)平衡、促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)與發(fā)展和改善人類居住環(huán)境等方面起著至關(guān)重要的作用。植物經(jīng)常面臨包括病原菌侵染等極端環(huán)境的影響。植物通過感知環(huán)境變化并做出應(yīng)激反應(yīng)，保護(hù)自身免受環(huán)境惡化的影響。因此，研究植物感知環(huán)境變化并做出應(yīng)激反應(yīng)的機(jī)制，有助于我們應(yīng)對環(huán)境變化，解決糧食和生態(tài)安全等問題。以往研究發(fā)現(xiàn)，病原菌可通過在植物體內(nèi)制造富含水的微環(huán)境增強(qiáng)侵染能力，目前尚不清楚植物是否存在針對病原菌該毒性作用的免疫機(jī)制。另外，植物細(xì)胞因子在植物免疫中發(fā)揮至關(guān)重要的調(diào)控作用。鑒定新的植物細(xì)胞因子和闡明其植物免疫調(diào)控機(jī)制對深入揭示植物免疫具有重要意義。

該研究首次報(bào)道了一類結(jié)構(gòu)全新的植物細(xì)胞因子SCREWs（圖1）。為了鑒定新的參與植物免疫調(diào)控的植物細(xì)胞因子，研究人員分析了受病原菌誘導(dǎo)表達(dá)的擬南芥轉(zhuǎn)錄組，并篩選了病原菌上調(diào)表達(dá)的分泌肽。其中，SCREWs能夠被病原菌及微生物相關(guān)分子模式（MAMPs）強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)。通過免疫誘導(dǎo)分析，研究發(fā)現(xiàn)SCREWs羧基端31個(gè)保守的氨基酸能夠通過誘導(dǎo)MAPK激活和植物生長抑制等典型的免疫反應(yīng)。結(jié)構(gòu)預(yù)測顯示，該小肽通過兩個(gè)保守的半胱氨酸形成二硫鍵，其對SCREW免疫誘導(dǎo)起至關(guān)重要的作用。

圖1：植物細(xì)胞因子SCREW1的鑒定及活性分析

研究還揭示SCREW1體外處理能夠激活包括胞質(zhì)鈣升高、活性氧產(chǎn)生等典型的免疫反應(yīng)和增強(qiáng)植物對丁香假單胞桿菌的抗性。隨后，研究人員構(gòu)建了SCREW1的擬南芥過表達(dá)株系和通過基因編輯的技術(shù)獲得了SCREW1和SCREW2的雙基因敲除株系（screw1/screw2）。研究發(fā)現(xiàn)，SCREW1過表達(dá)誘導(dǎo)擬南芥葉片衰老和上調(diào)免疫相關(guān)基因PR1表達(dá)；而screw1/screw2相比野生型對丁香假單胞菌感病增強(qiáng)。以上結(jié)果表明，SCREW為一類新的免疫調(diào)控植物細(xì)胞因子，能夠誘導(dǎo)植物免疫反應(yīng)和增強(qiáng)植物對病原菌的抗性（圖2）。

圖2：SCREW1調(diào)控植物免疫

為了進(jìn)一步揭示SCREW調(diào)控植物免疫的分子機(jī)制，研究人員首先鑒定了SCREW的受體NUT（圖3）。NUT屬于XI亞家族LRR-RK。SCREW觸發(fā)免疫反應(yīng)和調(diào)控對病原菌抗性完全依賴以NUT。相比擬南芥野生型，nut突變體對丁香假單胞菌更容易感病。通過表面等離子共振和免疫共沉淀技術(shù)分析顯示，NUT為SCREW受體，SCREW識別誘導(dǎo)NUT與LRR-RK BAK1和SERK4發(fā)生聚合，觸發(fā)下游不依賴胞內(nèi)受體激酶BIK1的免疫反應(yīng)。

圖3：SCREW1通過受體激酶NUT調(diào)控植物免疫

丁香假單胞菌等病原菌通過植物表面的氣孔侵入植物體內(nèi)。植物能夠識別一類稱為鞭毛蛋白的MAMP，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，阻止病原菌的侵入。然而，氣孔的關(guān)閉導(dǎo)致植物體內(nèi)含水量提高和溫度上升，這對侵染后期病原菌抗性是不利的。該研究創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)SCREW能夠抑制鞭毛蛋白和植物應(yīng)激激素脫落酸（ABA）誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。相比野生型，nut突變體在病原菌感染過程中體內(nèi)水含量增高。進(jìn)一步研究表明，SCREW-NUT通作用ABA信號途徑關(guān)鍵因子ABI，并促進(jìn)ABI1對OST1的去磷酸化，從而抑制氣孔關(guān)閉和重啟氣孔開放（圖4）。

圖4：SCREW1-NUT通過ABI-OST1調(diào)控氣孔運(yùn)動和植物失水

侯書國副教授團(tuán)隊(duì)長期從事植物與環(huán)境互作的分子生物學(xué)研究。自2012年以來，該團(tuán)隊(duì)與美國德州農(nóng)工大學(xué)何平教授、單立波教授，清華大學(xué)柴繼杰教授、山東大學(xué)張偉教授等團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)新性地提出了分泌肽作為植物先天免疫重要的調(diào)控因子，在揭示植物細(xì)胞因子調(diào)控植物先天免疫領(lǐng)域作出了突出的貢獻(xiàn)。研究成果在Nature、Nature Communications、Plos Pathogens等國際著名期刊發(fā)表。該研究獲國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省科技攻關(guān)計(jì)劃、山東省高校青創(chuàng)科技計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04684-3

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