前言

植物面臨著免疫和生長之間的權(quán)衡，建立綠色、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)作物仍具有挑戰(zhàn)性。受體激酶RLK家族，參與植物免疫和生長的調(diào)控，并在信號感知和轉(zhuǎn)導中發(fā)揮關(guān)鍵作用。RLK成員FERONIA（FER）負調(diào)節(jié)植物對土壤傳播病原體的抗性，是植物土傳病害防控潛在靶點。但尚無利用小分子操控RLK激酶活性以實現(xiàn)植物逆境和生長發(fā)育調(diào)控的理論探索和應用實踐。

近日，湖南大學、岳麓山實驗室于峰課題組聯(lián)合湖南中煙技術(shù)中心蒲文宣團隊在國際權(quán)威雜志Plant Biotechnology Journal（IF:13.263）發(fā)表了題為“A Screening of Inhibitors Targeting the Receptor Kinase FERONIA Reveals Small Molecules that Enhance Plant Root Immunity”的研究論文。本文高通量篩選出植物受體激酶（RLK）的重要成員FERONIA（FER）的小分子抑制劑，并揭示FER抑制劑可通過增強根部免疫來提高植物對土傳病害的抗性。

研究背景

1. 高通量篩選FER激酶抑制劑

首先建立體外FER激酶抑制劑高通量篩選體系，以識別抑制FER激酶活性/自磷酸化的小分子，最終從1494個小分子中鑒定出33個可以高效抑制FER激酶活性（Fig. 1a）?；谌齻€FER家族蛋白HERK1-CD、ANJEA-CD和THE1-CD的激酶活性分析，reversine和lavendustin A為相對特異FER抑制劑，而cenisertib和staurosporine為非特異性抑制劑（Fig. 1b-d）。此外，這四種FER抑制劑可以在植物體內(nèi)降低RALF1誘導的FER磷酸化，表明了FER抑制劑在植物中的潛在應用價值。

Fig1 |高通量篩選FERONIA激酶抑制劑

2. FER抑制劑通過靶向ATP口袋來抑制FER及其在多種作物中同源蛋白的激酶活性

將擬南芥FER和其他作物FER同源物進行了多序列比對，發(fā)現(xiàn)激酶結(jié)構(gòu)域序列相似性極高，三維結(jié)構(gòu)上的空間結(jié)構(gòu)相似性均體現(xiàn)了FER在作物中的保守性（Fig. 2 a, b）。與FER抑制劑在動物系統(tǒng)中作為ATP競爭者的已有報道結(jié)果一致，本實驗中，四種抑制劑均與FER或其同源物的ATP口袋連接良好（Fig. 2b）。這四種FER抑制劑也能高效抑制NtFER-CD的激酶活性（Fig. 2c）。

綜合微量熱泳動MST實驗對四種抑制劑與FER結(jié)合親和力的檢測結(jié)果，表明抑制劑以濃度依賴的方式競爭性靶向激酶結(jié)構(gòu)中的ATP口袋來抑制FER及其在多種作物中同源蛋白的激酶活性。

Fig2 | FER抑制劑靶向FER及其在作物中的同系物的ATP口袋

3. FER抑制劑在調(diào)節(jié)土傳疾病和植物生長中的作用

為了驗證FER抑制劑能否預防土壤傳播疾病，作者先后選擇擬南芥及典型作物，測試抑制劑對R. solanacearum引起的青枯病和M. incognita引起的水稻根結(jié)線蟲病的防治效果。

結(jié)果表明，reversine、staurosporine和lavendustin A均能緩解煙草青枯?。‵ig. 3a-d）；降低番茄對R. solanacearum的敏感性，其中l(wèi)avendustin A表現(xiàn)出好的控制效果（Fig. 3e-g）；抑制水稻根結(jié)線蟲病的發(fā)展，reversine和lavendustin A的預防效果優(yōu)于staurosporine（Fig. 4a-d）。此外，F(xiàn)ER突變體（fer-4）植株也表現(xiàn)出對青枯病的抗性。這些結(jié)果表明，F(xiàn)ER負向調(diào)節(jié)了植物對青枯病的抗性。

Fig3 | FER抑制劑有效控制煙草和番茄青枯病

Fig4 | FER抑制劑緩解水稻根結(jié)線蟲病，F(xiàn)ER突變增強擬南芥對青枯病的抗性

與對照組相比，reversine對擬南芥Col-0幼苗根、葉的生長沒有影響；staurosporine抑制根、葉的生長；而lavendustin A顯著促進根、葉的生長（Fig. 5a）。同時測定fer-4根和葉的生長，發(fā)現(xiàn)staurosporine和lavendustin A的抑制和促進作用分別部分依賴于FER（Fig. 5a）。就作物生長而言，lavendustin A顯著促進煙草莖葉和根的生長，reversine和staurosporine對煙草莖葉和根的生物量沒有顯著影響（Fig. 5b, c）。

水稻生物量數(shù)據(jù)顯示，與對照相比，三種FER抑制劑均未引起水稻莖葉和根的生長變化（Fig. 5d, e）。因此，reversine、staurosporine和lavendustin A這三種FER抑制劑不會限制作物的正常生長。

Fig5 | FER抑制劑對植物生長的影響

4.FER抑制劑依賴FER增強植物根系免疫

為了了解FER抑制劑促進植物抵抗土傳疾病的機制，作者在排除了抑制劑本身對病原體毒性可能性后，分析了植物根系免疫能力的變化。研究結(jié)果表明，reversine、staurosporine和lavendustin A顯著增加了Col-0根中ROS的產(chǎn)生（Fig. 6a, b），且對ROS水平的增強部分依賴于FER（Fig. 6b）。這些抑制劑誘導MAPK磷酸化和根中抗性相關(guān)基因表達水平升高，并部分依賴于FER（Fig. 6c-f）。綜合表明，F(xiàn)ER抑制劑通過部分依賴于FER的機制增強植物根部先天免疫水平。

Fig6 | FER抑制劑依賴FER增強植物根系免疫

5. Lavendustin A和reverine促進煙草根中防御相關(guān)基因的表達

為了進一步探索FER抑制劑在不影響植物生長的情況下誘導作物根部抗病性的分子機制，作者通過RNA-seq分析了高效抑制劑lavendustin A和reversine處理4周齡煙草根部的轉(zhuǎn)錄組變化。與對照組相比，兩種抑制劑處理的有981個共有差異表達基因（DEGs）（Fig. 7a），且差異趨勢高度相似（Fig. 7 b）。

GO/KEGG富集分析結(jié)果顯示，與免疫系統(tǒng)、抗氧化活性以及防御反應等相關(guān)基因表達上調(diào)，表明FER抑制劑lavendustin A和reverine可能通過促進防御相關(guān)基因的表達來增強煙草根部的免疫反應。此外，與生長相關(guān)的基因上調(diào)，解釋了這兩種抑制劑不影響作物生長。

Fig7 | Lavendustin A和reverine促進煙草根系中防御相關(guān)基因的表達

研究結(jié)論

在本研究中，首先通過體外激酶活性測定對FER激酶的小分子抑制劑進行了高通量篩選。FER抑制劑競爭性靶向激酶結(jié)構(gòu)中的ATP口袋來抑制FER及其在多種作物中同源蛋白的激酶活性。進一步確認三個FER代表抑制劑reversine、staurosporine和lavendustin A可增強植物根系的防御系統(tǒng)，以有效防控土壤傳播疾病，并且不會限制作物的正常生長。該研究結(jié)果有助于植物RLK激酶調(diào)控理論的發(fā)展，并為植物土傳病害的綠色高效的綜合防治提供新的策略。

湖南大學生物學院博士后劉紅斌與湖南中煙技術(shù)中心李曉旭博士為本文的共同第一作者，湖南大學于峰教授、湖南中煙技術(shù)中心蒲文宣研究員和湖南大學陳佳副研究員為共同通訊作者。

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