近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點實驗室和植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院Kenichi Tsuda教授團(tuán)隊的最新研究成果發(fā)表，研究揭示了十字花科植物PTI免疫反應(yīng)的進(jìn)化機(jī)制。
在植物長期進(jìn)化過程中，脅迫響應(yīng)基因的變異對于植物適應(yīng)環(huán)境變化至關(guān)重要。但是，植物在受到脅迫時基因轉(zhuǎn)錄的進(jìn)化機(jī)制尚不清楚。植物進(jìn)化出膜定位的模式識別受體（PRR）識別病原微生物表面保守的微生物相關(guān)分子模式（MAMPs），激活模式誘發(fā)的免疫反應(yīng)（PTI）。例如，細(xì)菌鞭毛蛋白N端的寡肽flg22可以被擬南芥受體FLS2識別，引發(fā)包括MAPK磷酸化、轉(zhuǎn)錄重編程和激素合成等一系列PTI免疫反應(yīng)，從而提高植物對病原菌的抗性。目前人們對PTI進(jìn)化機(jī)制的了解僅僅局限于PRR的進(jìn)化，而對于不同植物間PTI免疫反應(yīng)的保守性和進(jìn)化機(jī)制還知之甚少。
研究人員用flg22處理六個擬南芥品系以及三種十字花科近緣種（包括薺菜Capsella rubella、碎米薺Cardamine hirsuta和鹽芥Eutrema salsugineum），發(fā)現(xiàn)四種十字花科植物均能感應(yīng)flg22并引發(fā)PTI早期反應(yīng)，但是flg22誘發(fā)PTI反應(yīng)導(dǎo)致的植物生長抑制和病原菌抗性在四種植物間卻存在明顯差異。
不同遺傳背景和地理來源迥異的擬南芥品系對flg22的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)高度一致
為研究PTI免疫反應(yīng)在轉(zhuǎn)錄水平的進(jìn)化，研究人員比較分析了六個擬南芥品系以及三種十字花科植物受flg22處理后的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)四種十字花科植物既共有一些差異表達(dá)基因（DEG），也有相當(dāng)多的DEG呈現(xiàn)物種特異性；然而六個遺傳背景和地理來源迥異的擬南芥品系對flg22的響應(yīng)卻高度保守。但是十字花科物種間對flg22響應(yīng)的差異與其系統(tǒng)發(fā)育卻不一致。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)WRKY轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點在物種特異型flg22響應(yīng)基因的5'-順式調(diào)節(jié)區(qū)域富集，可能驅(qū)使物種特異性基因轉(zhuǎn)錄的進(jìn)化。同時，研究還發(fā)現(xiàn)編碼區(qū)序列差異與轉(zhuǎn)錄組差異無相關(guān)性，而純化選擇可能維持十字花科植物共有flg22響應(yīng)基因5'-調(diào)節(jié)區(qū)域的保守性。此外，研究結(jié)果還表明不同十字花科植物在flg22處理后的代謝組具有物種特異性。
研究者這樣說，這個研究的發(fā)現(xiàn)揭示了十字花科植物PTI過程中基因轉(zhuǎn)錄的進(jìn)化機(jī)制，為進(jìn)一步了解植物在生物脅迫下轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)化機(jī)制提供了線索。
【英文摘要】
Plants recognize surrounding microbes by sensing microbe-associated molecular patterns （MAMPs） to activate pattern-triggered immunity （PTI）。 Despite their significance for microbial control, the evolution of PTI responses remains largely uncharacterized. Here, by employing comparative transcriptomics of six Arabidopsis thaliana accessions and three additional Brassicaceae species to investigate PTI responses, we identified a set of genes that commonly respond to the MAMP flg22 and genes that exhibit species-specific expression signatures. Variation in flg22-triggered transcriptome responses across Brassicaceae species was incongruent with their phylogeny, while expression changes were strongly conserved within A. thaliana. We found the enrichment of WRKY transcription factor binding sites in the 5'-regulatory regions of conserved and species-specific responsive genes, linking the emergence of WRKY-binding sites with the evolution of gene expression patterns during PTI. Our findings advance our understanding of the evolution of the transcriptome during biotic stress.
論文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab073/6159620?searchresult=1
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