植物早期免疫反应转录调控机制

来源：BioArt植物

植物在面对外界致病生物入侵时，会通过定位在植物细胞表面的模式识别受体PRRs对微生物或植物来源的分子模式（PAMPs或DAMPs）进行感知，从而诱导模式触发免疫PTI发生【1】。尽管鉴定了很多类型的PRR受体与相对应的配体【2】，但是植物如何识别不同类型不同来源的配体，是否产生不同的免疫输出机制等问题仍不清楚。在PTI过程中会发生大量的转录调控事件【3】，已有一些报道分析比较了2-3种病原分子共同触发的转录反应数据，但受限于实验规模及条件，比较分析的结果可能存在局限性。

3月15日，著名植物免疫学家Cyril Zipfel研究团队在Nature Plants在线发表了题为The transcriptional landscape of Arabidopsis thaliana pattern-triggered immunity的研究论文。该研究通过比较7种分子模式处理的拟南芥在早期不同时间的转录组数据，揭示了不同分子诱导的早期免疫信号转录反应的共有性及特异性特征，并鉴定了新的植物免疫组分。

为了确定分子模式触发的转录反应之间的时间和识别程度，研究人员选择了7种具有已知PRR的分子模式，分别是3-OH-FA、flg22、elf18、nip20、CO8、OGs及Pep1，它们分别来源于细菌、真菌、卵菌及植物，包括脂肪酸、肽及多糖等多种结构，并均已鉴定各自识别的受体（图1）。每种分子模式分别处理野生型和对应PRR的突变体，设定处理后0、5、10、30、90 和180 分钟后采集样品进行转录组测序，提取差异表达基因 (DEGs)。结果表明，共有10730个DEG (5718个上调基因，5012个下调基因)，flg22处理获得的DEG最多 (8451个DEG; 4816个上调基因，3635个下调基因)，3-OH-FA处理获得的差异基因最少 (1633个DEG; 1246个上调基因，387个下调基因)。除了flg22处理获得了较多特异的差异基因外，其他几组的差异基因呈现一致性，说明在早期植物免疫反应中，所诱导表达的基因是具有普遍性的，但这些差异基因的诱导速度不同。

为了鉴定调节这些基因的转录因子，研究者进一步按照时间将上调基因归类并对顺式作用元件进行分析，发现前10分钟上调基因中，富集了大量CAMTA转录因子结合元件，而处理后10-30分钟诱导上调基因中则大量富集了WRKY结合位点。这与WRKY及CAMTA在PTI中的重要作用是相符合的。由于CAMTA是植物GSR（通用胁迫反应）主要转录调节因子【4】，因此作者分析了拟南芥一系列非生物胁迫响应的数据集，发现许多由分子模式诱导最快速和最普遍上调的基因也是由非生物胁迫诱导的，这表明植物对分子模式的早期转录反应是植物GSR的一部分，说明植物细胞应对不同胁迫具有一致性。

图1  分子模式示意图及诱导差异表达基因分布情况

作者还鉴定了39个分子模式诱发的特异性差异基因(core immunity response , CIR)，其中最显著表达的一类基因GLRs编码谷氨酸受体蛋白，在拟南芥中作为钙渗透通道参与伤害反应【5,6】，在免疫反应中的作用尚未报导。作者利用CRISPR–Cas9构建glr2.7/2.8/2.9三突变体，发现突变体对分子模式诱导的钙浓度升高不敏感，且对病原菌更敏感，证明GLR 2.7/2.8/2.9在PTI中发挥重要作用。结合此前作者对CNGCs在免疫反应中的作用研究，作者发现，拟南芥家族的多个通道如CNGCs、OSCAs和GLRs等在植物分子模式诱导的钙离子响应均发挥作用。

综上所述，本篇文章对多个分子模式诱导的多个时间点的转录组数据进行全面综合分析，揭示了植物早期免疫反应转录事件的共性及特异性，并鉴定了新的植物免疫应答重要组分。

参考文献

1. Albert, I., Hua, C., Nürnberger, T., Pruitt, R. N. & Zhang, L. Surface sensor systems in plant immunity. Plant Physiol. 182, 1582–1596 (2020).

2. Saijo, Y ., Loo, E. P .-I. & Y asuda, S. Pattern recognition receptors and signaling in plant–microbe interactions. Plant J. 93, 592–613 (2018).

3. Yu, X., Feng, B., He, P . & Shan, L. From chaos to harmony: responses and signaling upon microbial pattern recognition. Annu. Rev. Phytopathol. 55, 109–137 (2017).

4. Benn, G. et al. A key general stress response motif is regulated non-uniformly by CAMTA transcription factors. Plant J. 80, 82–92 (2014).

5. Toyota, M. et al. Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science 361, 1112–1115 (2018).

6. Shao, Q., Gao, Q., Lhamo, D., Zhang, H. & Luan, S. Two glutamate- and pH-regulated Ca2+ channels are required for systemic wound signaling in Arabidopsis. Sci. Signal. 13, eaba1453 (2020).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00874-5