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【科研新进展】(355)园艺学院蔬菜生物技术与种质资源创新团队在马铃薯抗晚疫病机制方面取得新进展

近日,园艺学院蔬菜生物技术与种质资源创新团队杜羽教授课题组在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》发表题为“Potato protein tyrosine phosphatase StPTP1a is activated by StMKK1 to negatively regulate plant immunity”的研究论文,该研究揭示了马铃薯酪氨酸磷酸酶StPTP1a被StMKK1激活,从而去磷酸化MPK4和MPK7负向调控植物免疫反应。

马铃薯(Solanum tuberosum)是我国重要的粮蔬两用作物。由致病疫霉菌(Phytophthora infestans)引起的马铃薯晚疫病严重影响马铃薯的生产,挖掘马铃薯的抗、感病基因并解析其调控机理,对防控马铃薯晚疫病具有重大意义。植物丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase, MAPK)级联在响应植物生物胁迫与非生物胁迫中发挥重要的作用。MAPK级联的活性调节是可逆的,植物利用磷酸酶通过去磷酸化MAPKs从而精准调控MAPK级联反应。

该课题组前期研究发现致病疫霉菌RXLR效应蛋白PITG20303通过靶向并稳定植物免疫负调控因子丝裂原活化蛋白激酶StMKK1促进植物感病(Du et al., 2021);进一步研究显示StMKK1通过负调控PTI(PAMP-triggered immunity)反应以及水杨酸(Salicylic acid, SA)信号通路,负调控马铃薯免疫反应(Chen et al., 2021);此外,课题组发现StMKK1的直接下游信号组分StMPK7通过磷酸化并稳定RNA结合蛋白StUBA2a/b,从而激活SA信号通路正调控植物对疫霉菌的抗性(Zhang et al., 2021;Li et al., 2022)。本研究在此前期基础上,进一步揭示了马铃薯StMKK1-StMPK4/7级联的调控机制。

该研究通过酵母双杂交筛选,鉴定到一个与StMKK1互作的候选蛋白马铃薯酪氨酸蛋白磷酸酶StPTP1a,通过酵母双杂交技术(Yeast Two Hybrid,Y2H)、免疫共沉淀技术(Co-immunoprecipitation assay,Co-IP)以及荧光素酶互补成像技术(Luciferase complementary imaging technology,LCI)验证了StMKK1和StPTP1a之间的相互作用;进一步研究发现StPTP1a负向调控马铃薯免疫反应,抑制SA信号通路相关基因的表达。此外,酶活性试验确认了StPTP1a是一种功能性磷酸酶,磷酸化试验表明其可以被StMKK1磷酸化而激活;质谱分析成功鉴定到StPTP1a被StMKK1磷酸化的三个位点Ser-99、Thr-223和Thr-290,进一步的三位点突变体不能被StMKK1激活,表明这些位点对StPTP1a的催化活性至关重要。

研究者还发现StPTP1a与StMKK1下游信号组分StMPK4/7互作并将其去磷酸化,通过在本氏烟草中分别共沉默NbPTP1a和NbMPK4或NbPTP1a和NbMPK7并进行接菌试验,发现与NbMPK4/7共沉默后,NbPTP1a沉默引起的植物对致病疫霉菌(Phytophthora infestans)的抗性增强表型丧失,进一步确认了NbMPK4和NbMPK7在StPTP1a的下游发挥作用;此外,western blot 结果表明StPTP1a在PTI后期被磷酸化和稳定,进而去磷酸化StMPK4和StMPK7。

综上所述,研究结果表明,在PTI被引发的初期StMKK1磷酸化并激活StMPK7/4,而在PTI后期,StMKK1通过磷酸化并激活StPTP1a,激活后的StPTP1a通过去磷酸化MPK7/4而抑制二者功能(图1)。该研究解析了StMKK1通过介导StPTP1a的激活,实现了对StMPK7/4活性的精确调控,从而使植物避免过度激活免疫反应,调节了植物生长和防御的平衡。

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图1 StMKK1依赖StPTP1a抑制植物免疫

园艺学院杜羽教授为该论文的通讯作者,博士研究生李芳芳和陈小康为共同第一作者。西北农林科技大学单卫星教授、瓦赫宁根大学Matthieu H.A.J. Joosten教授参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金(32072401)、中国高校科学基金(2452018028,2452017069)以及国家外国专家局高校创新学科人才引进计划(111计划)(#B18042)等项目的资助。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13979


编辑:张晴

终审:徐海