十字花科植物PTI免疫反应的进化机制

来源：BioArt植物

在植物长期进化过程中，胁迫响应基因的变异对于植物适应环境变化至关重要。但是，植物在受到胁迫时基因转录的进化机制尚不清楚。植物进化出膜定位的模式识别受体（PRR）识别病原微生物表面保守的微生物相关分子模式（MAMPs），激活模式诱发的免疫反应（PTI）。例如，细菌鞭毛蛋白N端的寡肽flg22可以被拟南芥受体FLS2识别，引发包括MAPK磷酸化、转录重编程和激素合成等一系列PTI免疫反应，从而提高植物对病原菌的抗性。目前人们对PTI进化机制的了解仅仅局限于PRR的进化，而对于不同植物间PTI免疫反应的保守性和进化机制还知之甚少。

2021年3月5日，华中农业大学农业微生物学国家重点实验室和植物科学技术学院Kenichi Tsuda教授团队在The Plant Cell发表了题为Gene expression evolution in pattern-triggered immunity within Arabidopsis thaliana and across Brassicaceae species研究论文，揭示了十字花科植物PTI免疫反应的进化机制。

本研究中，研究人员用flg22处理六个拟南芥品系以及三种十字花科近缘种（包括荠菜Capsella rubella、碎米荠Cardamine hirsuta和盐芥Eutrema salsugineum），发现四种十字花科植物均能感应flg22并引发PTI早期反应，但是flg22诱发PTI反应导致的植物生长抑制和病原菌抗性在四种植物间却存在明显差异。

图1 不同遗传背景和地理来源迥异的拟南芥品系对flg22的转录响应高度一致

为研究PTI免疫反应在转录水平的进化，研究人员比较分析了六个拟南芥品系以及三种十字花科植物受flg22处理后的转录组，发现四种十字花科植物既共有一些差异表达基因（DEG），也有相当多的DEG呈现物种特异性；然而六个遗传背景和地理来源迥异的拟南芥品系对flg22的响应却高度保守。但是十字花科物种间对flg22响应的差异与其系统发育却不一致。研究人员进一步发现WRKY转录因子结合位点在物种特异型flg22响应基因的5’-顺式调节区域富集，可能驱使物种特异性基因转录的进化。同时，研究还发现编码区序列差异与转录组差异无相关性，而纯化选择可能维持十字花科植物共有flg22响应基因5’-调节区域的保守性。此外，研究结果还表明不同十字花科植物在flg22处理后的代谢组具有物种特异性。本研究的发现揭示了十字花科植物PTI过程中基因转录的进化机制，为进一步了解植物在生物胁迫下转录水平进化机制提供了线索。

马普植物育种研究所Thomas Winkelmüller博士、博士生Frederickson Entila和Shajahan Anver博士为论文共同第一作者，Kenichi Tsuda教授为论文通讯作者。该研究得到中央高校基本科研业务费、华中农业大学自主科技创新基金、马普学会、德国科学基金会以及波兰国家科学中心等项目和机构资助。

论文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab073/6159620