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Nature新发 | 拟南芥再取新进展!植物气孔免疫调节机制

前言
 

感知生物和非生物胁迫通常会导致植物气孔关闭。不同的环境刺激诱导胞浆中钙离子浓度迅速增加,从而激活信号传导反应。叶气孔由两个保卫细胞组成,介导水和气体交换并表现出对刺激的动态钙离子响应。气孔为植物病原体提供了天然的入口点,因此必须严格控制其气孔关闭,以确保最佳的光合作用,同时适当限制蒸发和病原体的进入。尽管钙离子浓度在响应多种刺激的气孔关闭中起着重要作用,但相应的钙离子通道的身份仍然未知。
 

2020年8月,东英吉利大学Cyril Zipfel团队Nature发表题为“The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity”(钙离子渗透通道OSCA1.3调节植物气孔免疫)的研究论文。研究团队结合生化实验和定量磷酸化蛋白质组学技术,揭示了拟南芥钙离子渗透通道OSCA1.3控制免疫信号传导期间气孔关闭的机制。
 


中文标题:钙离子渗透通道OSCA1.3调节植物气孔免疫

研究对象:拟南芥

发表期刊:Nature

影响因子:42.778

单位:东英吉利大学

发表时间:2020年08月

主要运用生物技术:定量磷酸化蛋白质组学


研究方法及结果
 

在模式植物拟南芥中,质膜相关的胞质激酶BIK1充当多个细胞表面免疫受体下游的中央免疫调节剂。BIK1协调多个由病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)或损伤相关分子模式(damage-associated molecular Patterns, DAMP)触发的免疫输出。
 

先前的工作表明,BIK1直接将NADPH氧化酶RBOHD磷酸化,从而响应于PAMP或DAMP的感知而激活活性氧的产生。且BIK1已被证明与PAMP诱导的钙离子内流和气孔关闭有关。
 

作者因此假设BIK1可以直接磷酸化参与气孔免疫的一个或多个未知Ca2+通道。拟南芥OSCA1.3是保守Ca2+通道OSCA/TMEM63家族的一个未表征同工型,在PAMP处理后迅速被磷酸化。作者测试了OSCA1.3是否为BIK1的底物。与对照组相比,BIK1与OSCA1.3免疫共沉淀(图1a)。使用来源于细菌鞭毛蛋白的多肽PAMP flg22(激活BIK1的免疫受体FLS2的配体)进行处理,不会改变OSCA1.3与BIK1之间的关联(图1a)。BIK1和OSCA1.3的关联已在转基因拟南芥品系中得到证实,但是flg22处理降低了这种关联(图1b),这与以前对BIK1-RBOHD关联的观察一致。
 

图1 | OSCA1.3与BIK1相关联
 

接下来作者测试BIK1是否使OSCA1.3磷酸化。先前报道OSCA1.3磷酸化位点位于第一个细胞质环中。体外pull down实验表明OSCA1.3-loop1与GST-BIK1直接相互作用,并可以被磷酸化(图2a,b),且这种磷酸化依赖于BIK1激酶的活性(图2b)。在OSCA1.3-loop1中对已识别的磷酸化位点(S49和S54)和邻近的S50进行定向突变,然后进行体外放射性激酶测定,结果表明BIK1主要使S54位点磷酸化(图2b)。使用靶向定量蛋白质组学技术——选择反应监测技术(SRM)在体内证实了flg22诱导的S54位点上BIK1依赖性的磷酸化(图2c),进一步表明OSCA1.3是免疫信号传导期间BIK1的底物。
 

图2 | OSCA1.3被BIK1磷酸化,而S54是主要的磷酸化位点
 

拟南芥中有15种OSCA亚型,分为4个不同的系统发育进化枝。其中,仅OSCA1.1和OSCA1.2在植物中进行了功能鉴定,其参与了对渗透胁迫的响应。为了测试OSCA1.3是否为Ca2+渗透通道,作者使用了Ca2+摄取不足的酵母突变体cch1/mid1。与野生型酵母或表达OSCA1.3的cch1/mid1相比,该突变体未在浸有交配信息素α因子的滤纸圆盘周围的光环中生长(图3a),表明OSCA1.3在这个异源系统中促进了Ca2+转运。此外,COS-7细胞的膜片钳记录揭示了OSCA1.3表达时的电流,在BIK1共表达时该电流以激酶活性依赖性和OSCA1.3-S54磷酸化依赖性方式增加(图3b,c)。这些结果表明OSCA1.3是BIK1激活的Ca2+渗透通道。
 

图3 | OSCA1.3是BIK1激活的钙渗透通道
 

在拟南芥的OSCA进化枝1中,只有OSCA1.7在相同位置具有与OSCA1.3相似的Ser-X-X-Leu基序。同时在COS-7细胞中OSCA1.7介导的电流被BIK1活性激活。值得注意的是,单独的OSCA1.3和OSCA1.7可以渗透Ca2+,并且在两个通道共表达时该活性未增加。作者制作了一个双重纯合插入osca1.3/osca1.7(以下称osca1.3/1.7)无效突变体。对加入Ca2+保卫细胞的单细胞测量表明,与野生型相比,osca1.3 / 1.7中flg22诱导的Ca2+的快速增加被减少了(图4a)。
 

此外作者观察到守卫细胞中flg22诱导的钙离子浓度的增加量的减少与osca1.3/1.7中flg22诱导的气孔关闭的消除有关(图4b)。值得注意的是,用DAMP AtPep1处理后,osca1.3 / 1.7的气孔关闭受到类似的损害(图4c)。但是在osca1.3 / 1.7中响应植物胁迫激素脱落酸(ABA)的气孔关闭不受影响(图4c),完整叶片的气孔电导测量结果证实了这一点(图4d)。
 

这些结果表明,OSCA1.3和OSCA1.7的丧失通常不会影响保卫细胞的生理,表明OSCA1.3和OSCA1.7在免疫过程中对气孔关闭具有特定作用。此外,osca1.3 / 1.7植物比野生型植物对低毒力的Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 COR菌株更敏感,其水平与免疫缺陷突变体bak1-5相似(图4e)。最后,为了测试OSCA1.3 / 1.7的作用是否取决于BIK1介导的磷酸化,作者用OSCA1.3或OSCA1.3S54A补充了osca1.3/1.7。表达OSCA1.3,但不表达OSCA1.3(S54A)可以恢复flg22诱导的气孔关闭(图4f)。总之,数据表明OSCA1.3是气孔免疫所必需的Ca2+渗透通道,其激活和功能取决于BIK1介导的磷酸化。
 

图4 | 气孔免疫需要OSCA1.3和OSCA1.7


实验结论
 

本文运用定量磷酸化蛋白质组学技术报道了拟南芥Ca2+渗透通道OSCA1.3控制免疫信号传导期间的气孔关闭。该研究确定了植物Ca2+通道及其在免疫信号传导期间激活气孔关闭的机制,并揭示了Ca2+内流机制对不同胁迫响应的特异性。
 

文末看点
 

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文章来源于鹿明生物