植物作为固着生长的生物在其生命周期中不可避免地会遭受到各种生物胁迫的挑战如真菌、细菌、病毒等病原微生物的感染以及昆虫、线虫的取食等。这些生物因子不仅掠夺植物的营养更是成为制约全球农业可持续发展、威胁粮食安全的主要瓶颈。为了应对这些侵害植物进化出了一系列精密的免疫感知、信号转导及应答调控网络。转录因子在生物胁迫免疫感知、信号转导及应答调控网络中扮演着“战时指挥官”的关键角色。它们作为信号通路末端的执行者能够特异性地识别并结合到下游防御应答基因启动子区域的顺式作用元件上通过激活或抑制这些基因的转录从而在分子、细胞乃至整个植物体水平上启动广泛的生理生化适应性改变。可以说对转录因子调控机制的解析是理解植物免疫响应“密码”的钥匙。转录因子在生物胁迫响应中的整体逻辑入侵→信号传导→转录因子激活→基因表达变化 →获得抗性。首先感知胁迫信号病虫侵害发生时植物通过激素如水杨酸SA、茉莉酸JA、乙烯ET、ROS或钙离子等信号激活转录因子。其次调控响应基因转录因子结合到下游基因的启动子上激活或抑制防御响应基因表达。这些基因可能编码病程相关蛋白PR蛋白直接杀菌、次生代谢合成酶如合成植保素毒杀害虫或其他免疫受体基因。最后生理上适应例如细胞壁加厚以物理阻隔或启动过敏性坏死反应HR以限制病原扩散。在植物生物胁迫中有一些明星转录因子是研究的较多包括WRKY最核心、NAC、MYB、bHLH和ERF/AP2等家族。图植物应对多种非生物/生物外部胁迫的防御信号传导。近年来随着DAP-seq、CUTTag、RNA-seq等多组学分析手段的突破我们对植物生物胁迫应答的理解已跨越了单一转录因子的功能鉴定迈向了对多维转录调控网络的系统解析。现在的研究发现转录因子并非“孤军奋战”它们往往通过构建层级化的转录级联Transcriptional Cascades、组建动态的蛋白复合体或与非编码RNA形成调控模块来精准协调植物的防御反应。这种“集团军作战”的模式不仅能更精细地调控次生代谢产物的合成还能在复杂的发育进程如果实成熟、成株期中实现对防御信号的灵活整合。本期分享的案例将从不同维度展示这些“指挥官”如何运筹帷幄构建高效的植物免疫防线。案例一一个包含多个转录因子的模块正向调控葡萄白粉病抗性A module with multiple transcription factors positively regulates powdery mildew resistance in grapevine发表期刊Plant Biotechnology Journal(IF:10.5)发表单位西北农林科技大学研究对象葡萄研究技术DAP-seq、EMSA、BiFC等主要内容白粉菌Erysiphe necator是导致白粉病PM的病原真菌该病害会严重降低作物产量。通过稳定的过表达和基因沉默实验研究鉴定出转录因子VqWRKY46是葡萄抗白粉病的正调控因子。这种抗性的增强与胼胝质沉积增加及过敏性坏死反应HR细胞死亡有关。研究还证实VqLIMYB通过结合VqWRKY46启动子中的CAGTTA基序特异性激活其表达。此外VqWRKY46既能与VqNF-YC9相互作用也能形成同源二聚体并通过直接结合VqNF-YC9启动子中的三个W-box基序正向调控其表达。另外DNA亲和纯化测序DAP-Seq分析鉴定出VqDSC1是葡萄中VqWRKY46的下游靶标。进一步分析表明VqWRKY46可直接结合VqDSC1启动子中的Wbox1以以此上调其表达而VqNF-YC9则不进行结合。有趣的是VqNF-YC9与VqWRKY46之间的相互作用增强了VqWRKY46的DNA结合活性从而促进VqDSC1的表达。此外在拟南芥中过表达VqLIMYB、VqNF-YC9和VqDSC1以及在葡萄中进行瞬时转化实验均表明它们是白粉病抗性的正调控因子。综上所述研究发现了一个介导葡萄对白粉菌抗性的新型调控模块VqLIMYB-VqWRKY46/VqNF-YC9-VqDSC1。这项研究为理解葡萄抗白粉病的分子基础提供了新见解并强调了培育抗病葡萄品种的潜在靶点。图采用DNA亲和纯化后测序DAPSeq技术对VqWRKY46结合序列及靶基因进行全基因组鉴定。案例二转录因子SlJIG调控番茄对入侵害虫番茄潜叶蛾的多层次防御机制Transcription factor SlJIG orchestrates multi-layer defense in tomato against the invasive pest Phthorimaea absoluta发表期刊New Phytologist (IF:8.1)发表单位河北大学研究对象番茄研究技术RNA-seq、EMSA、Luc等主要内容在植物中许多碱性螺旋-环-螺旋bHLH转录因子在调控生物和非生物胁迫抗性的过程中起着关键作用。然而bHLH转录因子是否以及如何参与番茄防御入侵害虫番茄潜叶蛾Phthorimaea absoluta的过程仍不清楚。该研究揭示了bHLH转录因子基因SlJIG对番茄潜叶蛾侵染、茉莉酸甲酯处理以及机械损伤均有正向响应。对番茄植株中的SlJIG基因进行编辑增加了其对番茄潜叶蛾幼虫的易感性并提高了其对雌性番茄潜叶蛾产卵的吸引力但降低了其对番茄潜叶蛾天敌波氏烟盲蝽Nesidiocoris poppiusi的吸引力。研究发现SlJIG通过转录激活α-番茄碱HMGR1和FPPS1及类黄酮CHI1和FLS生物合成途径中的关键酶来增强抗性。编辑SlJIG基因降低了α-番茄碱和山奈酚的生物合成而这两种物质是防御番茄潜叶蛾幼虫的关键代谢产物。此外它还抑制了萜烯合酶TPS12的转录导致α-蛇麻烯的释放量降低而这一变化与番茄潜叶蛾及N. poppiusi的偏好性改变相关。这些发现强调了SlJIG作为番茄防御番茄潜叶蛾调节因子的关键作用并突显了其作为增强番茄抗性的分子育种潜在靶点的价值。图SlJIG通过调节α-番茄碱和山柰酚的积累介导番茄对番茄潜叶蛾幼虫的抗性。案例三MYC2-JAMYB 转录级联调控水稻对褐飞虱的抗性The MYC2-JAMYB transcriptional cascade regulates rice resistance to brown planthoppers发表期刊New Phytologist (IF:8.1)发表单位浙江大学研究对象水稻研究技术RNA-seq、CUTTag、ChIP-qPCR、Y1H、EMAS、Luc等主要内容植物防御食草动物主要受植物激素茉莉酸JA的调控。JA信号转导的核心是MYC2转录因子它调节着大量防御相关基因的表达。然而水稻中MYC2介导的抗虫性背后的调控机制尚未被完全理解。研究采用了褐飞虱BPH生物测定、转录激活测定、转录组分析、靶向代谢组学以及靶向剪切及转座酶介导的染色质免疫沉淀测序CUTTag-seq分析以探究JAMYB转录因子的生物学功能及其调控机制。JAMYB的表达受褐飞虱侵害诱导且受到MYC2的转录调控。在实验室和田间条件下JAMYB的突变使得水稻植株易受褐飞虱侵害这表明JAMYB对褐飞虱抗性具有正向贡献。与野生型植株相比jamyb突变体中由褐飞虱诱导的酚胺类物质和挥发性化合物的生物合成有所减少。这些受JAMYB调控的特异性代谢物发挥着直接和间接的防御功能既能阻止褐飞虱的侵害也能吸引褐飞虱卵的寄生蜂。此外研究发现JAMYB直接结合关键苯丙烷途径基因的AC基序并激活其表达从而可能改变了酚胺类物质生物合成的代谢通量。该研究揭示了MYC2-JAMYB模块在JA介导的水稻对褐飞虱抗性中的作用。图JAMYB靶基因分析。案例四灰霉菌感染番茄果实中成熟诱导的防御信号传导涉及MYC2-NOR/RIN蛋白复合体对ERF.F4的激活Ripening-induced defence signalling in Botrytis cinereainfected tomato fruits involves activation of ERF.F4 by a MYC2-NOR/RIN protein complex发表期刊Plant Biotechnology Journal (IF:10.5)发表单位中国科学院武汉植物园研究对象番茄研究技术CUTTag、RNA-seq、ChIP-qPCR等主要内容肉质果实具有重要的商业和营养价值但随着果实的成熟它们对病原菌的易感性也会增加。成熟果实中的主动防御机制虽然持续发挥作用但会受到成熟调节因子及成熟结果的影响。灰葡萄孢菌Botrytis cinerea是番茄最重要的真菌病原体之一而茉莉酸JA是应对灰葡萄孢菌感染的主要防御植物激素。病原菌会诱导生物活性茉莉酸-异亮氨酸JA-Ile的积累JA-Ile通过核心转录因子MYC2传递防御信号从而调控防御反应。这一机制在叶片中已被深入阐明但果实成熟过程特别是成熟调节因子NOR和RIN如何影响JA-Ile介导的防御反应仍不清楚。研究证明了单独敲除NOR或RINCR-NORCR-RIN或同时敲除二者CR-NOR/RIN均会削弱番茄果实应对灰葡萄孢菌感染时的JA-Ile积累。NOR和RIN均与MYC2发生物理相互作用在感染灰葡萄孢菌的野生型WT果实中569个差异表达基因DEGs中有110个被鉴定为MYC2的直接靶标。这些靶标包括乙烯响应因子ERFs如ERF.A2、B12、C3、F4、G2/PTI6它们的转录本在WT中积累但在受感染的CR-NOR或CR-RIN果实中大幅减少。唯有MYC2与ERF.F4的结合在CR-NOR和CR-RIN果实中受到严重受损。ERF.F4在感染灰葡萄孢菌的果实中能够反式激活PR-STH2并激活防御信号。因此由RIN和NOR促进成熟所导致的感染易感性增加部分地被它们在防御信号传导中的积极作用所补偿。图MYC2直接结合并反式激活ERF.F4启动子且该激活作用可被NOR和RIN蛋白增强。案例五miR172a-SNB模块通过MYB30介导的木质素积累协调诱导型和成年植株对多种水稻病害的抗性The miR172a–SNB module orchestrates both induced and adult-plant resistance to multiple diseases via MYB30-mediated lignin accumulation in rice发表期刊Molecular Plant (IF:24.1)发表单位四川农业大学研究对象水稻研究技术RNA-seq、DAP-seq、ChIP-qPCR等主要内容植物在整个生育期中会对不同病原体产生诱导抗性和成株期抗性。水稻生产面临着多种主要病害的威胁包括稻瘟病、纹枯病和白叶枯病。该研究报道了miR172a–SNB–MYB30模块通过木质素化作用调控水稻对这三种主要病害的诱导抗性和成株期抗性。在机制上病原体感染会诱导miR172a的表达从而下调转录因子SNB解除其对MYB30的抑制导致在整个生育期内木质素生物合成增加病害抗性增强。此外在水稻发育过程中miR172a和 MYB30的表达水平逐渐升高且始终与木质素含量和病害抗性呈正相关在完全成熟期达到峰值而SNB的RNA水平则与木质素含量和病害抗性呈负相关表明miR172a–SNB–MYB30模块参与了成株期抗性。SNB蛋白的功能域及其在MYB30启动子中的结合位点在4000多份水稻种质资源中高度保守而miR172a、SNB或MYB30的表达异常会损害产量性状这表明miR172a–SNB–MYB30模块在水稻驯化过程中经历了人工选择。综上所述这些结果揭示了一个保守的miRNA调控模块的新功能该模块通过增加木质素积累显著促进对多种病原体的诱导抗性和成株期抗性从而加深了我们对广谱抗性和成株期抗性的理解。图一个提出的模型表明miR172a-SNB-MYB30模块通过促进水稻木质素生物合成赋予其广谱抗病性及成株抗性。综上所述转录因子作为植物免疫反应中的“战时指挥官”其功能远不止于单一基因的开关。从SlJIG调控次生代谢产物到MYC2介导的复杂级联反应再到miR172a-SNB-MYB30模块揭示的表观遗传调控上述案例清晰地勾勒出植物抗逆研究演进的轨迹我们正从鉴定单个抗病基因的“单点突破”迈向解析多蛋白复合体、多层级转录级联以及激素互作的“多维网络”时代。爱基百客拥有10年的科研服务经验如您有相关技术需求欢迎联系我们~