近日，華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室和植物科學技術學院Kenichi Tsuda教授團隊的最新研究成果發表，研究揭示了十字花科植物PTI免疫反應的進化機制。
在植物長期進化過程中，脅迫響應基因的變異對于植物適應環境變化至關重要。但是，植物在受到脅迫時基因轉錄的進化機制尚不清楚。植物進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分子模式（MAMPs），激活模式誘發的免疫反應（PTI）。例如，細菌鞭毛蛋白N端的寡肽flg22可以被擬南芥受體FLS2識別，引發包括MAPK磷酸化、轉錄重編程和激素合成等一系列PTI免疫反應，從而提高植物對病原菌的抗性。目前人們對PTI進化機制的了解僅僅局限于PRR的進化，而對于不同植物間PTI免疫反應的保守性和進化機制還知之甚少。
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），發現四種十字花科植物均能感應flg22并引發PTI早期反應，但是flg22誘發PTI反應導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的轉錄響應高度一致
為研究PTI免疫反應在轉錄水平的進化，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處理后的轉錄組，發現四種十字花科植物既共有一些差異表達基因（DEG），也有相當多的DEG呈現物種特異性；然而六個遺傳背景和地理來源迥異的擬南芥品系對flg22的響應卻高度保守。但是十字花科物種間對flg22響應的差異與其系統發育卻不一致。研究人員進一步發現WRKY轉錄因子結合位點在物種特異型flg22響應基因的5'-順式調節區域富集，可能驅使物種特異性基因轉錄的進化。同時，研究還發現編碼區序列差異與轉錄組差異無相關性，而純化選擇可能維持十字花科植物共有flg22響應基因5'-調節區域的保守性。此外，研究結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，這個研究的發現揭示了十字花科植物PTI過程中基因轉錄的進化機制，為進一步了解植物在生物脅迫下轉錄水平進化機制提供了線索。
【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
日期：2021-03-09
在植物長期進化過程中，脅迫響應基因的變異對于植物適應環境變化至關重要。但是，植物在受到脅迫時基因轉錄的進化機制尚不清楚。植物進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分子模式（MAMPs），激活模式誘發的免疫反應（PTI）。例如，細菌鞭毛蛋白N端的寡肽flg22可以被擬南芥受體FLS2識別，引發包括MAPK磷酸化、轉錄重編程和激素合成等一系列PTI免疫反應，從而提高植物對病原菌的抗性。目前人們對PTI進化機制的了解僅僅局限于PRR的進化，而對于不同植物間PTI免疫反應的保守性和進化機制還知之甚少。
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），發現四種十字花科植物均能感應flg22并引發PTI早期反應，但是flg22誘發PTI反應導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的轉錄響應高度一致
為研究PTI免疫反應在轉錄水平的進化，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處理后的轉錄組，發現四種十字花科植物既共有一些差異表達基因（DEG），也有相當多的DEG呈現物種特異性；然而六個遺傳背景和地理來源迥異的擬南芥品系對flg22的響應卻高度保守。但是十字花科物種間對flg22響應的差異與其系統發育卻不一致。研究人員進一步發現WRKY轉錄因子結合位點在物種特異型flg22響應基因的5'-順式調節區域富集，可能驅使物種特異性基因轉錄的進化。同時，研究還發現編碼區序列差異與轉錄組差異無相關性，而純化選擇可能維持十字花科植物共有flg22響應基因5'-調節區域的保守性。此外，研究結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，這個研究的發現揭示了十字花科植物PTI過程中基因轉錄的進化機制，為進一步了解植物在生物脅迫下轉錄水平進化機制提供了線索。
【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
日期：2021-03-09
