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Plant Cell | 转录+磷酸化组解析玉米发育与免疫应答相互调控的机制

对于植物而言,种子发育为成年植株是一个伴随着激素、代谢、防御变化等多网络共同调控的复杂过程。Liguleless narrow-R (Lgn-R) 是一个能引起植物发育缺陷的突变体,因为突变消除了受体样激酶Lgn的活性,引发下游信号网络变化,导致发育缺陷。然而,关于其中参与调节的诸多功能基因及其下游调控机制仍然是未知的。

玉米因有高度遗传多样性,成为被探索这个过程的代表性植物之一。前期研究发现,在不同遗传背景中,玉米Lgn-R突变体会表现叶茎发育缺陷的严重程度差异(如B73表现严重发育缺陷,但Mo17则表现近野生型)。由于突变表型表现的严重程度通常依赖于其他修饰因子,但这些因子是什么,以及其导致Lgn-R发育缺陷表型严重程度的调控机制仍不清楚。

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为深入探索该问题,加利福尼亚大学Sarah Hake团队在《Plant Cell》(IF=9.6)发表“The Second Site Modifier, Sympathy for the ligule, Encodes a Homolog of Arabidopsis ENHANCED DISEASE RESISTANCE4 and Rescues the Liguleless narrow Maize Mutant”文章,通过采用突变体筛选等技术,锁定了调控LGN-R表型变化的因子sympathy for the ligule(Sol)及其定位,并结合转录组学、磷酸化组等高通量组学技术,深度解析了Sol与Lgn作用的分子机制,揭示突变体中的Sol错误调控了免疫应答相关信号通路,导致了不同遗传背景下的Lgn-R表型差异,为植物发育和免疫应答相互调控提供了新视角。

研究材料:

Lgn-R突变体、WT野生型的茎尖组织

技术方法:

QTL、突变体筛选、转录组学、磷酸化蛋白质组学

实验路线图:

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研究结果

1、表型分析1:近等基因系(NIL)抑制Lgn-R表型,Sol-M能够恢复Lgn-R缺陷表型

为了分析B73和Mo17间的组织发育表型差异的原因,构建了近等位基因系Lgn-R-NIL。结果发现,Lgn-R Mo17与非突变Mo17自交系具有相同的高度和叶宽,在Lgn-R B73中表现严重发育缺陷,B73从未在成年叶片中形成完整叶舌或耳廓,但NIL中的表型相对B73有所恢复。以往QTL研究了Mo17的Sol定未于1号染色体,推测Mo17中的Sol基因座(Sol-M)对Lgn-R发育缺陷具有恢复效应,结果表明,单拷贝Sol-M可以促进Lgn-R杂合子和纯合子的生长,且具有剂量依赖效应。

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Sol-M修饰因子能够恢复Lgn-R表型

2、表型分析2:Sol挽救Lgn-R依赖温度的致死性

进一步观察温度环境对Lgn-R表型影响,田间实验表型发现:炎热地区存活的Lgn-R比凉爽地区的植株更矮,叶片更窄。室内培养表型也显现一致表型:其中Lgn-R B73在30℃高温下植株高度和叶宽均显著降低,但Lgn-R NIL却有一定的恢复。同时在17°C下,Lgn-R B73能恢复叶舌发育。综上表明,Lgn-R较高温度下表现更严重的发育缺陷,但Sol-M的存在或者较低温度能够帮助恢复Lgn-R B73发育缺陷。

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Sol-M能帮助Lgn-R抵抗高温

3、定位:利用QTL确认Sol具体定位及功能推测

通过数量性状基因座定位(QTL)技术,明确Sol定位在1号染色体IDP1489的56572kbp和bnlg2238的55080kbp之间,包含4个功能基因。表达量分析发现,Lgn-R B73茎尖中Sol转录水平显著高于Lgn-R NIL和非突变体。进一步,通过BLASTp进行相似蛋白比对, 发现Sol与拟南芥中EDR4为同源基因。

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Sol精细定位及序列比对分析

4、功能推测与分析:固有免疫激活能够诱导Sol表达

由于在拟南芥中,EDR4参与植物固有免疫反应调控,故推测Sol也与植物免疫反应相关。利用病原激发子处理Lgn-R B73激活免疫反应,发现Sol在WT B73与Lgn-R B73表达均升高,且表达程度不同,表明固有免疫激活能够诱导Sol表达,与拟南芥中EDR4相似。

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固有免疫激活能够诱导Sol表达

5、机制探究:转录组+磷酸化组学发现Lgn-R触发固有免疫信号级联转导

为进一步锁定受Lgn-R突变影响的信号通路,以转录组、磷酸化组对Lgn及非突变体进行分析。研究发现,大多差异基因与抗病性相关(WRKY转录因子、抗病相关蛋白等),且固有免疫MAPK信号级联相关的位点被激活(BIR3、BAK1、CDG1、BSU1、SHAGGY、MAP3K、MAP2Ks、MAPKs)。此外,另一个典型的MAPK底物MKP1也在Lgn-R中被磷酸化,表明Lgn调节MAPK信号。综上表明,LGN可以作为BAK1-SHAGGY-MAPK信号网络的上游阻遏物,从而诱导病原体防御相关基因的表达。

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小编小结

本研究通过构建近等基因系、QTL及序列分析等,确定了Sol对Lgn-R的调控作用及其定位,并利用磷酸化组、转录组等解析了Lgn下游的分子调控网络,发现Lgn能够通过磷酸化介导的免疫级联信号网络最终抑制免疫反应,回答了Lgn-R突变体的发育缺陷表型的可能是由组成性防御诱导引起的。

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值得一提的是,在植物发育及抗逆研究中,磷酸化等蛋白翻译后修饰广泛调控了植物激素、胁迫反应等信号网络,发挥了极其重要的调控作用。拥有多年的修饰蛋白质组分析服务经验,已协助客户在《Nature Genetics》《Cell Metabolism》《PNAS》等高水平杂志发表多篇论文,目前还推出了创新DIA磷酸化修饰蛋白质组服务,已有项目分析实现30000+位点鉴定水平,助力信号调控网络超深度覆盖,欢迎感兴趣的老师前来咨询!

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