每周文献|下篇：NLR蛋白调控乙烯代谢参与植物免疫

今天我们继续分享来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究组的NATURE：NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity。简单回顾一下上篇，作者鉴定出了既受到几丁质诱导又能和PigmR蛋白互作的一类蛋白PICIs，并且在其中发现了了PICI1的下游底物OsMETS，同时也发现了PICI1能够使OsMETS去泛素化。接下来作者进一步关注了OsMETS的功能以及其下游调节信号。

5.OsMETS通过乙烯通路参与ETI和PTI

作者发现NIL-Pigm背景的水稻在稻瘟菌侵染下，OsMETS的积累水平随时间增加（Fig3A，B）。表明OsMETS可能参与了PTI和ETI。接着作者抬出了构建好的OsMETS-KO，OsMETS-OE进行菌侵染并检测菌生长表型（Fig3C）。发现敲除OsMETS后水稻对TM21敏感度增加，过表达则相反。既然控制蛋氨酸合成的基因（OsMETS）与抗病相关，那么蛋氨酸很可能也和抗病有关。因此作者注射了蛋氨酸直接观察其稻瘟菌抗性（Fig. 3E），也利用蛋氨酸和PICI1突变体，OsMETS突变体做了互补试验。证明了蛋氨酸对免疫的关键作用。

蛋氨酸是乙烯的前体，而乙烯在植物免疫中起到重要功能。作者检测了蛋氨酸处理下水稻的乙烯含量，发现增加了（Fig. 3F）。相反如果施加乙烯会导致OsMETS含量下降，说明蛋氨酸-乙烯通路存在负反馈机制。同样，预处理乙烯前体ACC导致免疫增强，预处理乙烯抑制子AVG导致免疫减弱。而后作者用TH12侵染水稻，原本会激发ETI结果却导致抗性下降。说明乙烯对PigmR主导的ETI通路至关重要。总而言之，蛋氨酸所调节的乙烯对免疫激活非常重要。

Figure3|去泛素化介导的OsMETS积累通过蛋氨酸-乙烯通路增强稻瘟病抗性

注解：图A和B说的其实是一件事，即菌侵染下OsMETS的积累。A用的TM21，B用的TH12做的侵染。前者模拟PTI，后者模拟ETI，OsMETS在二者诱导下都能积累。而后除了f图是乙烯含量测定实验，其余都是菌侵染实验。

6.PigmR保护PICI1以及PICI1等位基因的免疫多样性

为了进一步探究PICI1的机制，作者构建了一系列表达Avr基因的转基因水稻。发现AvrPi9能够减少内源PICI1的含量，由于AvrPi9能和PICI1互作（Fig. 4B）。此外，AvrPi9和Avrpizt，AvrPWL2可以促进PICI1的降解。但是作者也发现PICI1的降解在NIL-Pigm背景和日本晴（NIPB）背景下明显不同，NIL-Pigm背景下PICI1的降解延迟了（Fig. 4E，F）。E和F两张图本质都是检测PICI1蛋白的积累变化，但是选用的材料不一样。PigmR干扰了PICI1与AvrPi9的互作，进而保护了PICI1免受降解。

在此之上，作者针对PICI1的启动子区域进行了序列分析。以日本晴作为参考基因组，共选取了27个japonica，19个indica，以及13个rufipogon（野生稻）作为材料，鉴定出27个SNP。这27个SNP都来自于indica，因此命名为ProPICI1^ind。而大部分japonica中的PICI1单倍型都是NIPB型，因此命名为ProPICI1^jap，二者的单倍型分布如图Fig4g。对于ProPICI1作者计算了PICI1^ind，PICI1^jap和PICI1^rufi的Pi值。发现在PICI1基因的5'UTR前方，两个驯化种出现了明显的多态性下降（Fig4h），说明PICI1的启动子区域发生了驯化，PICI1基因因此被选择。这里的选择是通过启动子的选择间接实现的。作者更加严谨的构建了染色体置换系，将 PICI1jap的promoter转到了籼稻Huajingxian74（得到的转基因植株命名为图中的CSSL），结果发现CSSL的PICI1表达量上升了。表明ProPICI1^ind的功能是增加PICI1的表达。最终作者绘制了 NLRs–PICI1–OsMETS–ethylene (ET)免疫级联模型（Fig4J）。

Figure4| PigmR保护PICI1免受AvrPi9的降解，而PICI1的自然变异导致了水稻亚种的免疫分化

最后做一下总结，PTI和ETI的整合是近年来植物免疫研究的热点，很多大佬励志于寻找二者的偶联机制，以打破ETI和PTI的壁垒。本文也算是回应了研究热点，再一次为ETI和PTI机制的整合提供了新的依据。此外，何祖华老师这篇NATURE工作量可谓相当巨大，四张主Figure含有的小图鳞次栉比。Extended Data Fig更是多达十张，每张也基本上是满眼小图。文章中使用了大量正向遗传学方法，经常看到各种蛋白质的近等基因系，每一个NIL的构建都需要花费很长的时间进行回交。当然，文章的思路非常清晰，免疫信号传递通路每一阶都有充分的证据，还原了NLR—PICI1—蛋氨酸—乙烯免疫通路。

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参考信息：

1.Zhai, K., Liang, D., Li, H. et al. NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04219-2