Cell Host ＆ Microbe | 植物如何激发免疫能力？中山大学李剑峰组揭示磷酸化调控植物对真菌抗性机制

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植物在自然界中的生存随时受到多种病原微生物的挑战，而植物在进化过程中也形成了多种防御机制，包括先天固有的组成型防御机制以及后天形成的诱导性防御机制。组成型防御机制指植物中原本就存在的、阻碍昆虫取食或病原菌侵染的物理和化学因子; 诱导型防御机制是由昆虫和病原菌诱导产生的，在植物对外界环境的适应性中发挥了重要作用。然而，植物如何通过诱导获得免疫能力的分子机制仍不清晰。

近日，中山大学李剑峰教授研究团队在著名学术期刊Cell Host ＆ Microbe（IF：15.75）发表了题为Cross-microbial protection via priming a conserved immune co-receptor through juxtamembrane phosphorylation in plants 的论文。研究人员发现拟南芥受到病原细菌侵染后，会获得对后续真菌侵染的抗性，而这种‘警戒’状态的激发是通过其几丁质共受体CERK1发生胞内近膜区磷酸化完成的。CERK1的磷酸化是由植物体内重要的受体激酶BAK1调节的。模拟CERK1近膜区磷酸化可以加速并且增强植物对于真菌侵染的抗性，反之磷酸化的缺失减弱了植物的免疫能力。据悉中山大学博士生龚本强为该论文的第一作者，李剑峰教授为通讯作者，景杰生物为该研究的磷酸化修饰鉴定提供了技术支持。

图1 植物通过BAK1调控的CERK1近膜区磷酸化获得真菌抗性

文章精读

1、病原细菌通过CERK1激发拟南芥对病原真菌的抗性

作者首先对拟南芥叶片进行细菌（丁香假单胞菌Pst DC3000或青枯劳尔氏菌R. solanacearum）与真菌（灰霉菌B. cinerea）的共侵染，发现俩种病原细菌的侵染均可以明显减小真菌侵染所造成的叶片坏死面积，增强拟南芥对灰霉菌的抗性。已知真菌病原体细胞壁的主要组分几丁质可作为一种病原分子相关模式刺激植物产生免疫反应。CERK1为植物中的几丁质受体。为了探索拟南芥对灰霉菌的抗性增强是否与CERK1相关，作者用同样的条件处理CERK1基因缺失植株，发现这种抗性增强的现象明显受到抑制（图2a-d），证明了CERK1在其中的必要性。

图2 病原细菌通过CERK1激发拟南芥对病原真菌的抗性

二、病原细菌和细菌flg22可诱导CERK1磷酸化

为了探索CERK1如何在细菌引起的植物对真菌抗性中发挥作用，作者首先观测到在细菌侵染的叶片中CERK1发生了分子量偏移，并且单独的细菌flg22处理也会导致相似的质量偏移（图3a&b）。由flg22引起的质量偏移可以有磷酸酶的处理消除（图3b），因此作者推测CERK1发生了磷酸化并且利用丝/苏氨酸磷酸化抗体进行了证实（图3c）。

图3 病原细菌和细菌flg22可诱导CERK1磷酸化

三、CERK1磷酸化发生在胞内近膜区

作为一个典型的植物受体类激酶，CERK1包含胞外区，跨膜区以及胞内区。其中胞内区又包含近膜区域，激酶域和C端。为了探索CERK1磷酸化发生区域，作者首先瞬转表达不同片段缺失的CERK1，发现只有近膜区缺失时，其分子量偏移才能消失（图4a）。然后利用质谱检测的方法，作者确认了CERK1的磷酸化位点为近膜区Ser^268, Ser²⁸², and Thr²⁸³（图4b）。除此之外，只有三个磷酸化位点的同时突变（模拟修饰缺失）才能完全抑制flg22诱导的CERK1质量偏移，而任何单独位点的突变都不能起到相同效果（图4c）。细菌elf18 和 pep1同样可以引起CER1近膜区发生磷酸化。后续试验结果表明表明，flg22和elf18的共受体BAK1（一种重要的植物受体激酶）介导了对CERK1的磷酸化。

图4 flg22处理诱导的CERK1磷酸化发生在胞内近膜区

四、CERK1近膜区磷酸化增强了植物对几丁质的响应以及真菌抗性

为了解释CERK1近膜区磷酸化的具体生物学功能，作者首先检测了三个磷酸化位点不同突变形式对于CERK1稳定性的影响，发现突变为天冬氨酸(3D)或谷氨酸(3E)时能够提高CERK1的稳定性（图5a）。而几丁质可以在3D和3E俩种突变（模拟持续磷酸化）形式的转基因植株中更加显著的激活MARK信号通路（图5b）。除此之外，与野生型以及3A突变型相比没，正常对照组（CERK1近膜区磷酸化），3D和3E突变组表现出对包括灰霉菌在内的三种不同病原真菌的抗性提高（图5c）。证明了近膜区三个位点磷酸化使植物产生对几丁质更快更持久的免疫应答以及对真菌的抗性增强。而当无真菌侵染时，几种不同的突变植株呈现出相似的生长发育情况。

图5 CERK1近膜区磷酸化增强了植物对几丁质的响应以及真菌抗性

综上所述，该研究首次发现俩个重要的植物激酶受体BAK1和CERK1之间在免疫信号转导方面存在crosstalk，病原细菌或者flg22通过BAK1诱导CERK1近膜区发生磷酸化，最终导致拟南芥对几丁质的加速反应以及真菌侵染的抗性提高。同时，该研究首次发现植物受体激酶可通过近膜区磷酸化进入一种介于“失活”和“激活”的中间状态，即“警戒”（primed）状态。本文不仅再一次证明了蛋白之翻译后修饰在植物病理领域的重要性，也为后续提高农作物广谱的真菌抗性提供了新的思路和证据。

参考文献

Benqiang Gong et al., 2019, Cross-microbial protection via priming a conserved immune co-receptor through juxtamembrane phosphorylation in plants, Cell Host & Microbe.

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