植物如何抵抗病原菌侵染？Autophagy：拟南芥通过细胞自噬增强抗性

来源：精准医学与蛋白组学

灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）是一种典型的坏死性病原体，可通过杀死植物细胞获取营养。因其可以感染200多种植物，并在收获前后严重损害农作物和果实，被认为是植物上十大真菌病原体之一。然而，植物如何抵抗灰葡萄孢菌侵染，仍是未知的。

 自噬是抵抗坏死病所需的主要途径之一，同时也是植物防御坏死致病菌的关键。若敲除拟南芥自噬相关（ATG）基因（如ATG5和ATG18a）或自噬调节基因（如TRAF1a/1b），会阻断细胞自噬，从而引起植物对灰葡萄孢菌的超敏反应。

 磷酸化修饰是自噬中重要的翻译后调控。在酵母中，雷帕霉素敏感的TOR复合物1（TORC1）直接磷酸化ATG13以抑制自噬的启动，而ATG1激酶复合物磷酸化ATG9以增强其在将ATG8和ATG18募集到自噬体膜中的活性。在拟南芥中，ATG1-ATG13蛋白激酶复合物响应压力而启动自噬体形成。但是，磷酸化修饰如何调节拟南芥中ATG18a的功能尚不清楚。

 近日，来自华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室赖志兵课题组在Autophagy（IF=9.77）上发表了最新研究成果，利用蛋白质组学和磷酸化组学（质谱策略），揭示了受体激酶BAK1可通过磷酸化植物细胞自噬小体形成的关键蛋白ATG18a，抑制细胞自噬，从而削弱植物对灰葡萄孢菌的抗病性的具体机制。

1.  灰葡萄孢菌诱导拟南芥ATG18a磷酸化

首先，作者证实拟南芥在灰葡萄孢菌感染的条件下，呈现出磷酸化的ATG18a-绿色荧光蛋白。ATG18a上的Ser344在感染前后被磷酸化，而ATG18a上的Thr241、Ser328、Ser361和Thr387的磷酸化是由灰葡萄孢菌感染诱导的。

图1  接种灰葡萄孢菌后，ATG18a被磷酸化

 2.  ATG18a磷酸化抑制自噬活性

为了探讨ATG18a磷酸化在自噬中的作用，并且识别ATG18a上重要的磷酸化位点，作者将ATG18a上的5个磷酸化位点（Ser344、Ser361、Thr241、Ser328和Thr387）突变为ATG18a的拟磷形式天冬氨酸（D）或去磷形式丙氨酸（A）。结果表明，ATG18a的去磷酸化显著促进了原生质体自噬体的积累。此外，诱导强烈的自噬活性需要所有五个位点对ATG18a蛋白去磷酸化。更重要的是，ATG18a的磷酸化抑制了拟南芥对坏死病原菌的抗性，而ATG18a的5个位点的去磷酸化则增强了拟南芥对坏死病原菌的抗性。

图2  ATG18a12345A和ATG18a12345D影响自噬的诱导

3.  BAK1与ATG18a相互作用和磷酸化

据报道，MPK3、MPK4、MPK6、SnRK2.6、BIK1、BKK1和BAK1在植物胁迫反应中起着重要作用。利用双分子荧光互补技术（Bimolecular Fluorescent Complimentary，BiFC），作者检测了BAK1在细胞质中与ATG18a的相互作用，并发现ATG18a的五个功能性磷酸化位点中的四个位点直接受BAK1调控，同时，敲除BAK1基因能促进植物自噬小体的形成，增强植物对灰葡萄孢菌的抗病性。由此ATG18a与BAK1蛋白的关系表明，BAK1可能调控自噬途径。

图3  ATG18a在BAK1下游响应于灰葡萄孢菌

综上，本研究在拟南芥ATG18a上鉴定了五个磷酸化位点，发现ATG18a磷酸化过表达会诱导强烈的自噬信号，并增强对灰葡萄孢菌的抵抗力。通过功能实验进一步发现，受体激酶BAK1可与ATG18a直接相互作用并使其磷酸化。此外，BAK1的突变可降低ATG18a的磷酸化水平并诱导强烈的自噬信号，从而增强对坏死性病原体的抵抗力。 本研究解释了植物利用细胞自噬抵抗灰霉病菌的新机制，也为利用基因编辑改良ATG18a基因培育优良抗病品种提供参考。