泛素化在病原物相關(guān)分子模式誘導(dǎo)的植物先天免疫反應(yīng)中的作用

雷蘇煒，李 魏，2，董 錚，李利華，戴良英，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410128）

泛素化在病原物相關(guān)分子模式誘導(dǎo)的植物先天免疫反應(yīng)中的作用

雷蘇煒1，李 魏1，2，董 錚1，李利華1，戴良英1，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410128）

泛素化廣泛參與調(diào)控植物體內(nèi)多種生理生化反應(yīng)，如生長(zhǎng)發(fā)育、先天免疫反應(yīng)等。綜述了泛素化在病原物相關(guān)分子模式（PAMPs）激發(fā)的植物先天免疫反應(yīng)（PTI）中的作用，重點(diǎn)介紹了泛素化在細(xì)菌鞭毛蛋白和真菌幾丁質(zhì)等PAMP引起的PTI反應(yīng)中的作用及其機(jī)制。此外，還綜述了病原微生物分泌的部分效應(yīng)因子泛素化靶標(biāo)或者通過(guò)抑制植物靶標(biāo)泛素化以抑制PTI反應(yīng)并達(dá)到侵染的目的，以為解析植物體內(nèi)抗性調(diào)節(jié)機(jī)制和植物病原菌的防治提供參考。

植物；泛素化；病原物；相關(guān)分子模式；先天免疫反應(yīng)

泛素化作為一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，廣泛參與調(diào)控植物體內(nèi)多種生理生化反應(yīng)，如激素合成、囊泡運(yùn)輸、細(xì)胞死亡、先天免疫反應(yīng)等，其中人們?cè)絹?lái)越關(guān)注泛素化參與調(diào)控植物先天免疫反應(yīng)。植物先天免疫反應(yīng)系統(tǒng)主要由病原物相關(guān)分子模式激發(fā)的免疫反應(yīng)（PAMP-triggered immunity，PTI）與效應(yīng)因子激發(fā)的免疫反應(yīng)（effector-triggered immunity，ETI）組成。植物模式識(shí)別受體（Pattern recognition receptor，PRR）識(shí)別病原微生物表面保守的病原物相關(guān)分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）后引起PTI反應(yīng)。許多研究顯示，泛素化在PRR介導(dǎo)的PTI反應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用。本文主要綜述了泛素化在植物PTI反應(yīng)中的作用及其作用分子機(jī)制，以為進(jìn)一步闡明植物先天反應(yīng)機(jī)制提供參考。

1 泛素化調(diào)控由鞭毛蛋白引起的PTI反應(yīng)

flg22是細(xì)菌鞭毛蛋白（flagellin）的N端中由22個(gè)氨基酸殘基組成的肽段。該肽段被鞭毛蛋白在植物體內(nèi)對(duì)應(yīng)的PRR蛋白FLS2識(shí)別后作為激發(fā)子引起植物的PTI反應(yīng)［1］。研究顯示，有多個(gè)具有E3泛素連接酶活性的U-box蛋白參與調(diào)控由flg22激發(fā)的PTI反應(yīng)。擬南芥U-box蛋白PUB12與PUB13都具有E3泛素連接酶活性，二者在flg22的誘導(dǎo)下可分別與FLS2結(jié)合，隨后泛素化FLS2并促進(jìn)其降解［2］。Lu等人對(duì)野生型、pub12、pub13葉片處理flg22后，發(fā)現(xiàn)相比于野生型植株，上述2個(gè)突變體植株體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生增加2～3倍，胼胝質(zhì)積累明顯增加，免疫反應(yīng)相關(guān)基因（如WRKY30、AP2、FRK1）的轉(zhuǎn)錄水平明顯升高［2］。PUB12和PUB13分別與FLS2形成蛋白復(fù)合體依賴(lài)類(lèi)受體激酶BAK1，且BAK1可磷酸化PUB12和PUB13［2］。因此，BAK1磷酸化PUB12和PUB13，進(jìn)而引起PUB12和PUB13泛素化FLS2以促進(jìn)其泛素-26S蛋白酶體途徑的降解，這一信號(hào)傳導(dǎo)最終導(dǎo)致PUB12和PUB13負(fù)調(diào)控鞭毛蛋白引起的植物PTI反應(yīng)［3］。

擬南芥U-box蛋白PUB22／PUB23／PUB24也分別具有E3泛素連接酶活性，三者功能冗余且負(fù)調(diào)控flg22誘導(dǎo)的PTI反應(yīng)［4］。flg22介導(dǎo)的PTI反應(yīng)和植物抵抗不同病原物需要囊泡運(yùn)輸途徑中的胞吐復(fù)合體Exo70B2［5］。擬南芥細(xì)胞通過(guò)感知flg22誘導(dǎo)受體FLS2后可穩(wěn)定PUB22蛋白的活性，并通過(guò)26S蛋白酶體促進(jìn)PUB22介導(dǎo)Exo70B2的泛素化及其降解，進(jìn)而抑制flg22介導(dǎo)的PTI反應(yīng)［5］。最新研究表明，水稻中具有E3泛素連接酶活性的U-box蛋白SPL11與Rho型GTP酶激活蛋白SPIN6產(chǎn)生蛋白—蛋白互作并體外泛素化SPIN6，以促進(jìn)其泛素-26S蛋白酶體途徑的降解［6］。在對(duì)野生型與Spin6-RNAi植株處理flg22后，Spin6-RNAi植株體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生比野生型增加2～4倍，茉莉酸（JA）介導(dǎo)抗病途徑的應(yīng)答基因PBZ1的表達(dá)量相比于野生型在1 h后明顯升高［6］。因此，SPL11通過(guò)泛素化降解SPIN6調(diào)控水稻對(duì)鞭毛蛋白引起的PTI反應(yīng)，且該反應(yīng)可能通過(guò)JA信號(hào)通路傳導(dǎo)［6］。類(lèi)似地，具有E3泛素連接酶活性的擬南芥U-box蛋白PUB20／PUB21及其在番茄中的同源基因、擬南芥RHA2a蛋白、馬鈴薯StPUB17蛋白以及煙草NtPUB17蛋白等均被證實(shí)參與鞭毛蛋白等PAMP激發(fā)的PTI反應(yīng)［7～10］。

2 泛素化調(diào)控由幾丁質(zhì)引起的PTI反應(yīng)

幾丁質(zhì)是病原真菌上一種典型的PAMP分子，同樣能引起植物的PTI反應(yīng)。有研究表明，編碼E3泛素連接酶的ATL（Arabidopsis toxicosen levadura）基因家族參與植物的先天免疫反應(yīng)，部分ATL基因能被幾丁質(zhì)等PAMPs誘導(dǎo)，如ATL2、ATL6、ATL9、EL5等［11～13］。Berrocal-Lobo等［12］對(duì)ATL9基因表達(dá)模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)量越高，擬南芥防御白粉菌（Golovinomyces cichoracearum）的抗性越強(qiáng)。幾丁質(zhì)處理擬南芥后，atl9突變體對(duì)幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)比野生型明顯減弱，如H2O2的產(chǎn)生、抗病相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，因此ATL9參與擬南芥體內(nèi)的PTI反應(yīng)以及增強(qiáng)對(duì)白粉菌的抗性。此外，水稻OsUBC5b蛋白與ATL家族EL5蛋白共同完成泛素化過(guò)程，其中二者分別作為E2泛素結(jié)合酶與E3泛素連接酶，都能被幾丁質(zhì)明顯誘導(dǎo)，說(shuō)明它們很有可能一起參與幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的植物PTI反應(yīng)［14，15］。

擬南芥中含LysM功能結(jié)構(gòu)域的類(lèi)受體激酶LYK5可以識(shí)別幾丁質(zhì)并引起PTI反應(yīng)。研究表明，上面提及的PUB13與LYK5產(chǎn)生蛋白—蛋白互作并可在體外泛素化LYK5［16］。pub12突變體與pub13突變體對(duì)幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)比野生型明顯增強(qiáng)，如活性氧的產(chǎn)生、MAP激酶的磷酸化。而利用MG132處理擬南芥后，發(fā)現(xiàn)LYK5的蛋白豐度增加。因此，PUB13通過(guò)泛素化LYK5以促進(jìn)其泛素-26S蛋白酶體途徑的降解，從而導(dǎo)致PUB13負(fù)調(diào)控幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的PTI反應(yīng)［16］。此外，小G蛋白OsRac1參與由幾丁質(zhì)引起的PTI反應(yīng)，而上面提及的SPIN6可使OsRac1失活并促進(jìn)其水解以抑制OsRac1介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)［6］。Liu等人對(duì)水稻野生型植株、Spin6-RNAi與spin6處理幾丁質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，Spin6-RNAi與spin6對(duì)幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的PTI反應(yīng)均比野生型增強(qiáng)，如活性氧的產(chǎn)生、PBZ1以及水楊酸（SA）抗病途徑的應(yīng)答基因PR1a、PAL表達(dá)量的明顯增加［6］。因此，SPL11參與由幾丁質(zhì)介導(dǎo)的PTI反應(yīng)可能同時(shí)通過(guò)SA與JA抗病途徑以調(diào)節(jié)［6］。此外，上面提及的PUB22／PUB23／PUB24也參與調(diào)控幾丁質(zhì)引起的PTI反應(yīng)［4］。

3 病原微生物分泌的效應(yīng)因子通過(guò)泛素化過(guò)程抑制PTI反應(yīng)

為了抵抗植物產(chǎn)生的免疫反應(yīng)，病原微生物會(huì)釋放各種毒性因子至植物體內(nèi)干擾植物的免疫應(yīng)答。細(xì)菌的某些Ⅲ型效應(yīng)因子具有E3泛素連接酶活性，可以直接泛素化PRRs或其他宿主蛋白以抑制植物的PTI反應(yīng)。AvrPtoB是植物病原細(xì)菌Pseudomonas syringae pv.tamato的Ⅲ型效應(yīng)因子，其C端因在結(jié)構(gòu)上與RING／U-box結(jié)構(gòu)域同源而具有E3泛素連接酶活性［17］。有研究顯示，AvrPtoB能夠泛素化鞭毛蛋白受體FLS2和幾丁質(zhì)受體CERK1；AvrPtoB的N端結(jié)構(gòu)域可以與FLS2及BAK1產(chǎn)生蛋白—蛋白互作，并泛素化FLS2的激酶結(jié)構(gòu)域，從而抑制鞭毛蛋白引起的PTI反應(yīng)［18］；AvrPtoB泛素化CERK1的激酶結(jié)構(gòu)域，并促進(jìn)CERK1體內(nèi)降解從而抑制植株P(guān)TI的產(chǎn)生［19］。類(lèi)似地，XopL是病原細(xì)菌Xanthomonas campestris pv.Vesicatoria的Ⅲ型效應(yīng)因子，其C端也具有E3泛素連接酶活性［20］。XopL依靠其泛素連接酶活性促進(jìn)細(xì)胞死亡，其N(xiāo)端LRR結(jié)構(gòu)域抑制宿主植物體內(nèi)的PTI反應(yīng)，但是目前XopL作用的宿主靶標(biāo)并不清楚［20］。

病原物釋放的效應(yīng)因子中還有一些可以與宿主的泛素連接酶直接作用以抑制植物的PTI反應(yīng)。例如，馬鈴薯晚疫病菌（Phytophthora infestans）釋放的效應(yīng)因子Avr3a，通過(guò)與宿主體內(nèi)U-box型E3泛素連接酶CMPG1產(chǎn)生蛋白—蛋白互作，穩(wěn)定CMPG1的活性，阻止其自泛素化，從而抑制PAMP INF1引發(fā)的植物PTI反應(yīng)［21］。水稻白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo）分泌的效應(yīng)蛋白XopPxoo可以將水稻體內(nèi)的U-box蛋白Os-PUB44作為靶標(biāo)蛋白，同時(shí)抑制OsPUB44的E3泛素連接酶活性，而OsPUB44作為一個(gè)正調(diào)控因子參與肽聚糖（peptidoglycan，PGN）和幾丁質(zhì)等PAMP誘導(dǎo)的水稻PTI反應(yīng)［22］。因此，XopPxoo可能通過(guò)與OsPUB44蛋白互作并抑制其活性以降低水稻體內(nèi)的PTI反應(yīng)以及對(duì)白葉枯病菌的抗性［22］。此外，宿主體內(nèi)的E3泛素連接酶可以通過(guò)泛素化降解病原物釋放的效應(yīng)因子以增強(qiáng)植物的PTI反應(yīng)。水稻中具有E3泛素連接酶活性的APIP6蛋白，可以與稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）的效應(yīng)因子AvePiz-t產(chǎn)生蛋白—蛋白互作，并且泛素化AvePiz-t以促進(jìn)其體內(nèi)的降解［23］。研究發(fā)現(xiàn)，在AvePiz-t超表達(dá)水稻植株中敲除APIP6后，對(duì)鞭毛蛋白誘導(dǎo)的反應(yīng)比沒(méi)有敲除APIP6的超表達(dá)植株明顯降低，如該植株體內(nèi)活性氧的含量降低約60%、免疫反應(yīng)相關(guān)基因NAC4的轉(zhuǎn)錄水平明顯降低［23］。因此，APIP6通過(guò)泛素化降解AvePiz-t以增強(qiáng)水稻體內(nèi)的PTI反應(yīng)以及減弱對(duì)稻瘟病的抗性［23］。

4 展望

近年來(lái)，人們對(duì)泛素化和植物先天免疫反應(yīng)的研究越來(lái)越深入，但泛素化在植物先天免疫反應(yīng)的相關(guān)重要組成部分PTI反應(yīng)中所起到的調(diào)控作用機(jī)制有待研究。盡管已經(jīng)有許多研究結(jié)果表明泛素化參與調(diào)控植物的PTI反應(yīng)，但不同種類(lèi)的泛素化（如多聚泛素化、多泛素化以及單泛素化）在植物先天免疫反應(yīng)中的作用機(jī)制差別仍有待進(jìn)一步研究。E3泛素連接酶廣泛參與調(diào)控植物先天免疫反應(yīng)特別是PTI反應(yīng)，但是它們調(diào)控植物先天免疫反應(yīng)的大多數(shù)靶標(biāo)蛋白目前仍然不清楚。通過(guò)對(duì)植物進(jìn)行各種體內(nèi)外泛素化水平試驗(yàn)，并與定量蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)原理結(jié)合，可能有助于發(fā)現(xiàn)在泛素化介導(dǎo)的植物PTI反應(yīng)中新的靶標(biāo)蛋白，從而進(jìn)一步揭示泛素化參與植物免疫反應(yīng)的新機(jī)制，為植物病原菌的防治提供參考。

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Ubiquitination Role of PAMP-triggered Immunity in Plant

LEISuwei1，LIWei1，2，DONG Zheng1，LILihua1，DAILiangying1，2*
（1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China）

Ubiquitination has been widely involved in regulating various physiological and biochemical reactions in plants，such as growth，development and innate immunity.Here，we reviewed the role of ubiquitination in pathogen associatedmolecular patterns（PAMPs）triggered plants immunity（PTI），especially the function and mechanism of ubiquitination in PTI response activated by bacteria flagellin and fungal chitin.Furthermore，this paper reviews that some of the effectors secreted by pathogen ubiquitinate targets or suppress target ubiquitination to inhibit PTI for its infection.Hopefully，this review can provide reference for analyzing of the regulation mechanism of plant resistance and pathogenmanagement.

plant；ubiquitination；pathogen；associated molecular pattern；innate immunity

S432.1

A

1001-5280（2017）04-0459-04

：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.04.26

2017- 04- 08

雷蘇煒（1991-），女，碩士研究生，Email：leisuwei＠sina.com。*通信作者：戴良英，教授，主要研究方向：植物與微生物分子互作，Email：daily＠hunau.net。

國(guó)家自然科學(xué)基金（31300250）；湖南省自然科學(xué)基金（2016JJ3071）；湖南省教育廳項(xiàng)目（62021000032，（G）SCX1622）。