近日，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所儲(chǔ)黃偉副研究員、曹黎明研究員為共同通訊作者，在 Plant, Cell & Environment 雜志（IF: 7.228）在線發(fā)表了題為“A conserved clathrin-coated vesicle component, OsSCYL2, regulates plant innate immunity in rice”的研究論文，報(bào)道了水稻中一個(gè)被網(wǎng)格蛋白包被囊泡的一個(gè)重要組分 OsSCYL2 調(diào)控水稻先天免疫的分子機(jī)制。

上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所碩士研究生姚瑤和周繼華助理研究員為該論文的共同第一作者。文章中酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)由歐易生物完成。

?研究背景??

網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的囊泡運(yùn)輸?(CMVT) 是真核生物中進(jìn)化保守的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸途徑，對(duì)生物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。近年來，有人認(rèn)為 CMVT 在植物免疫調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用，但具體的分子機(jī)制仍不清楚。SCY1-LIKE2 (SCYL2) 是真核生物中進(jìn)化保守的蛋白激酶。SCYL2 在擬南芥中的功能缺失會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生長(zhǎng)缺陷。但 SCYL2 是否參與植物免疫尚未見報(bào)道。

?研究?jī)?nèi)容??

本研究表明，水稻 OsSCYL2 的突變產(chǎn)生了一種新的表型——超敏反應(yīng)樣?(hypersensitive response-like, HR) 細(xì)胞死亡，并依賴于光。雖然?OsSCYL2?突變體在光合系統(tǒng)方面表現(xiàn)出額外的缺陷，但它們對(duì)病原菌的抗性增強(qiáng)。亞細(xì)胞定位顯示 OsSCYL2 定位于高爾基體、反式高爾基網(wǎng)絡(luò)和液泡前體。OsSCYL2 與 OsSPL28 相互作用，OsSPL28 是網(wǎng)格蛋白相關(guān)的接頭蛋白亞基，已知該蛋白調(diào)節(jié)水稻 HR 細(xì)胞死亡。進(jìn)一步研究證實(shí) OsSCYL2-OsSPL28 的相互作用是由 OsCHC1 介導(dǎo)的。本研究鑒定了 CMVT 通路中調(diào)控植物免疫的一個(gè)新組分，為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和增強(qiáng)抗性提供了新的育種靶點(diǎn)。

?研究結(jié)果?

1.?水稻新類病斑突變體?scyl2

首先，通過圖位克隆的方式定位了水稻?scyl2-1?突變體的基因：OsSCYL2?(LOC_Os01g42950)。遺傳分析顯示，scyl2-1?突變體是?OsSCYL2?單基因控制的隱性突變體。與野生型相比，scyl2-1?突變體表現(xiàn)出明顯的葉片損傷，臺(tái)盼藍(lán)染色顯示?scyl2-1?突變體葉片中發(fā)生依賴于光照的類似超敏反應(yīng) (hypersensitive response-like, HR)?的細(xì)胞死亡，并且葉片中出現(xiàn)活性氧積累、葉片葉綠體的形態(tài)和活性也出現(xiàn)缺陷。

圖 1 |?scyl2-1?突變體表型

在?scyl2-1?突變體轉(zhuǎn)入?OsCYL2?基因全長(zhǎng)可以恢復(fù)表型；在野生型中利用 CRISPR/Cas9 敲除?OsSCYL2?后，表型與?scyl2-1?突變體一致。以上結(jié)果表明，scyl2-1?突變體是水稻中一個(gè)新的類病斑突變體（lesion mimic mutants, LMM），又稱斑點(diǎn)葉突變體，該類突變體被廣泛用于研究植物生長(zhǎng)與免疫的關(guān)系。

2.?Scyl2-1?突變體對(duì)病原菌抗性增強(qiáng)

用 3 種病原菌侵染植株以檢測(cè)抗菌能力。與野生型相比，scyl2-1?突變體對(duì) 3 種菌株都表現(xiàn)出顯著的抗性增強(qiáng)（圖 a-b）?？剐栽鰪?qiáng)往往與免疫通路活化有關(guān)，因此通過 RT-PCR 對(duì) SA-?和 JA-?信號(hào)通路基因進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示，SA-通路中 4 個(gè)基因、JA-通路中 3 個(gè)基因在?scyl2-1?突變體中表達(dá)顯著上調(diào)（圖 c）。

以上結(jié)果表明?OsSCYL2?基因在平衡植物生長(zhǎng)發(fā)育和免疫中起著關(guān)鍵作用。

圖 2 |?Scyl2-1?突變體對(duì)病原菌抗性增強(qiáng)

3.?OsSCYL2 可能通過?OsCHC1 與?OsSPL28 互作

亞細(xì)胞定位顯示，OsSCYL2 主要分布于高爾基體、反式高爾基網(wǎng)絡(luò) (TGN) 和液泡前體 (PVC) 中。在擬南芥中，SCYL2 與網(wǎng)格蛋白包被的囊泡組分（如 CHC1、VAT11、VAT12 等）相互作用。酵母雙雜交和 BiFC 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，水稻中 OsSCYL2 也可以與 OsCHC1、OsVAT11、OsVAT12 相互作用。已有研究表明，網(wǎng)格蛋白相關(guān)的接頭蛋白亞基 OsSPL28?與水稻的?CMVT?和細(xì)胞死亡直接相關(guān)，OsSPL28?基因突變同樣會(huì)導(dǎo)致葉綠體異常、抗病能力增強(qiáng)。

BiFC 實(shí)驗(yàn)證實(shí) OsSCYL2 與 OsSPL28 存在相互作用，但酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)顯示兩者之間不存在直接的結(jié)合。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)顯示 OsSPL28 與 OsCHC1 存在直接的結(jié)合。因此推測(cè)，OsSCYL2 與 OsSPL28 之間的相互作用是間接的，網(wǎng)格蛋白 OsCHC1 為兩者之間的相互作用提供了一個(gè)錨點(diǎn)，共同組成一個(gè)功能模塊以調(diào)節(jié)水稻的免疫功能。

圖 3 | OsSCYL2 通過?OsCHC1 與?OsSPL28 互作

4.?通過?RNA-seq 探究?OsSCYL2 調(diào)控水稻免疫的機(jī)制

對(duì)?scyl2-1?突變體和野生型植株葉片進(jìn)行 RNA-seq，共鑒定到 48 個(gè)下調(diào)和 170 個(gè)上調(diào)的差異表達(dá)基因。差異基因的富集分析顯示，“細(xì)胞質(zhì)膜邊界小泡”是最為顯著富集的 GO 條目，提示 OsSCYL2 可能參與小泡運(yùn)輸途徑?！把趸€原酶活性”和“次級(jí)代謝過程”同樣富集最為顯著，與?scyl2?突變體重 ROS 積累、抗病能力增強(qiáng)的表型一致。

?研究結(jié)論?

本研究提出了水稻中一個(gè)平衡生長(zhǎng)和免疫反應(yīng)，由 OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 組成的功能模塊。在正常生長(zhǎng)條件下，OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 介導(dǎo)的 CMVT 可能起著保持防御反應(yīng)處于休眠狀態(tài)的閥門作用。OsSCYL2?或?OsSPL28?的突變導(dǎo)致光合活性降低、葉綠體損傷和 ROS 過度積累。葉綠體來源的 ROS 可能是觸發(fā)防御反應(yīng)的關(guān)鍵。OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 介導(dǎo)的 CMVT 與葉綠體完整性之間的分子聯(lián)系仍有待進(jìn)一步闡明。

?原文鏈接?

https://doi.org/10.1111/pce.14240

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END

鄭小辮兒? 撰文

本文系歐易生物原創(chuàng)

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