近日，中國農業科學院植物保護研究所作物有害生物功能基因組研究創新團隊在植物學知名期刊《植物生物技術雜志（Plant Biotechnology Journal）》上發表題為“Multilayer regulatory landscape during pattern-triggered immunity in rice”的研究論文。該研究通過多組學策略，系統解析了水稻抗病過程中的PTI響應機制，對深入理解植物抗病過程，以及指導水稻抗病育種具有重要意義。
植物進化出了復雜的防御機制來防止病原真菌和細菌侵染。植物的防御系統包括病原相關分子模式觸發的免疫（PTI）和效應子觸發的免疫（ETI）。其中，PTI介導的防御由病原相關分子模式（PAMP）誘導，如真菌來源的幾丁質（chitin）和細菌來源的flg22。這些PAMPs由特定受體識別，激活下游信號通路，誘導一系列分子和生理生化反應，統稱為病原相關分子模式觸發的免疫（PTI）。截至目前，已有一些報道采用單一或兩種組合的組學策略研究植物的PTI響應機制（包括轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等），但采用多組學策略整合研究PTI過程的較少。另外，大多數關于PTI響應過程的組學分析都集中于雙子葉植物擬南芥，研究結論可能不適用于水稻和其他單子葉植物。
在本研究中，研究人員整合了代謝組、轉錄組、蛋白質組、泛素化組和乙酰化組數據，闡明了水稻對真菌和細菌的PAMPs（chitin和flg22）的PTI響應機制。研究發現chitin觸發的PTI反應在轉錄和翻譯水平上與flg22更為相似，但在翻譯后修飾水平和代謝水平上比flg22反應不同且更為強烈。在chitin和flg22誘導的差異表達基因中發現了許多防御相關基因，包括編碼RLK、MAPK和CDPKs的基因、轉錄因子、激素信號成分和次級代謝基因。有趣的是，多組學研究揭示了一些關鍵的生長防御平衡主調節基因（包括OsALDH2B1、BSRD1、GRF9、HD16、DWARF11、GLW7/SPL13和EBR1等）可能在水稻PTI響應過程中介導生長-抗病之間的平衡。對水稻轉錄組和蛋白質組的進一步整合分析發現，兩種PAMP處理的mRNA和蛋白質豐度之間存在不一致的情況。泛素化組學和乙酰化組學分析發現，蛋白質翻譯后修飾調節可能在這種差異中發揮關鍵作用。
通過繪制代謝物和調控變化圖，系統總結了PTI過程中糖酵解/糖異生、苯丙烷合成、類黃酮生物合成和亞油酸相關途徑中的多層次調控機制。研究表明，水稻中的亞油酸代謝和α-亞麻酸代謝途徑很可能受到flg22的特異性誘導。此外，與脂類、萜類（二萜類、倍半萜類和三萜類生物合成）和維生素（生物素代謝和核黃素代謝）相關的途徑可能也是flg22特異的PTI反應。該研究通過多組學分析構建了多層次水稻PTI響應過程調控圖譜，為深入解析水稻抗病過程中的PTI響應機制提供了重要參考和資源。
中國農業科學院植物保護研究所劉文德研究員和華中農業大學植物科學技術學院陳小林副教授為本文的共同通訊作者。中國農業科學院（深圳）農業基因組研究所周紹群博士等參與了相關工作。研究得到中國農業科學院農業科技創新工程的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13688
日期：2021-09-26
植物進化出了復雜的防御機制來防止病原真菌和細菌侵染。植物的防御系統包括病原相關分子模式觸發的免疫（PTI）和效應子觸發的免疫（ETI）。其中，PTI介導的防御由病原相關分子模式（PAMP）誘導，如真菌來源的幾丁質（chitin）和細菌來源的flg22。這些PAMPs由特定受體識別，激活下游信號通路，誘導一系列分子和生理生化反應，統稱為病原相關分子模式觸發的免疫（PTI）。截至目前，已有一些報道采用單一或兩種組合的組學策略研究植物的PTI響應機制（包括轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等），但采用多組學策略整合研究PTI過程的較少。另外，大多數關于PTI響應過程的組學分析都集中于雙子葉植物擬南芥，研究結論可能不適用于水稻和其他單子葉植物。
在本研究中，研究人員整合了代謝組、轉錄組、蛋白質組、泛素化組和乙酰化組數據，闡明了水稻對真菌和細菌的PAMPs（chitin和flg22）的PTI響應機制。研究發現chitin觸發的PTI反應在轉錄和翻譯水平上與flg22更為相似，但在翻譯后修飾水平和代謝水平上比flg22反應不同且更為強烈。在chitin和flg22誘導的差異表達基因中發現了許多防御相關基因，包括編碼RLK、MAPK和CDPKs的基因、轉錄因子、激素信號成分和次級代謝基因。有趣的是，多組學研究揭示了一些關鍵的生長防御平衡主調節基因（包括OsALDH2B1、BSRD1、GRF9、HD16、DWARF11、GLW7/SPL13和EBR1等）可能在水稻PTI響應過程中介導生長-抗病之間的平衡。對水稻轉錄組和蛋白質組的進一步整合分析發現，兩種PAMP處理的mRNA和蛋白質豐度之間存在不一致的情況。泛素化組學和乙酰化組學分析發現，蛋白質翻譯后修飾調節可能在這種差異中發揮關鍵作用。
通過繪制代謝物和調控變化圖，系統總結了PTI過程中糖酵解/糖異生、苯丙烷合成、類黃酮生物合成和亞油酸相關途徑中的多層次調控機制。研究表明，水稻中的亞油酸代謝和α-亞麻酸代謝途徑很可能受到flg22的特異性誘導。此外，與脂類、萜類（二萜類、倍半萜類和三萜類生物合成）和維生素（生物素代謝和核黃素代謝）相關的途徑可能也是flg22特異的PTI反應。該研究通過多組學分析構建了多層次水稻PTI響應過程調控圖譜，為深入解析水稻抗病過程中的PTI響應機制提供了重要參考和資源。
中國農業科學院植物保護研究所劉文德研究員和華中農業大學植物科學技術學院陳小林副教授為本文的共同通訊作者。中國農業科學院（深圳）農業基因組研究所周紹群博士等參與了相關工作。研究得到中國農業科學院農業科技創新工程的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13688
日期：2021-09-26
