类受体激酶FER调节植物与病原菌相互作用的分子机制 植物学报    2021, 56 (3): 339-346.   DOI: 10.11983/CBB20180

表1 FER调节植物细胞与病原菌间的相互作用

正文中引用本图/表的段落

FER属于长春花类受体激酶家族(Catharanthus roseus RLK1-like kinases, CrRLK1Ls) (Escobar-Restrepo et al., 2007), 最早被发现能够介导雄配子体和雌配子体之间的识别(Huck et al., 2003; Escobar- Restrepo et al., 2007)。拟南芥中的FER与该家族的其它16个蛋白在类受体激酶超家族中形成1个分支, 其胞外结构域中的Malectin-like蛋白基序具有结合二聚及寡聚葡萄糖的能力(Li and Zhang, 2014), 暗示该类受体激酶在植物细胞间互作及植物-环境互作过程中发挥重要作用。近年研究表明, FER广泛参与调节高等植物的受精、细胞伸长、生物及非生物胁迫响应等不同的生物学过程(Chen et al., 2020; Ji et al., 2020b; Zhang et al., 2020b)。FER是胚囊接受花粉管所必需, 并且是雌配子体育性的重要调节因子(Huck et al., 2003)。拟南芥fer突变体中雌配子体对花粉管接收发生功能缺陷, 雌雄配子之间的相互作用被破坏, 导致花粉管生长失控, 不能破裂释放精细胞, 最终导致育性下降(Huck et al., 2003)。进一步研究发现, FER定位于丝状器(filiform apparatus), 通过介导雌配子体对花粉管的接收, 触发助细胞内的信号级联反应, 其缺失导致植株生长矮小和精细胞释放受阻(Escobar-Restrepo et al., 2007)。Duan等(2020)研究表明, FER能控制丝状器中的去酯化果胶水平, 防止多根花粉管进入胚囊。花粉管到达胚珠时会诱导丝状器处产生一氧化氮(nitric oxide, NO), 而这一过程受FER和去酯化果胶共同调节。NO能使前体及其成熟形式的LURE小肽发生硝基化, 从而抑制助细胞分泌LURE。有研究表明, 正常情况下, FER进行依赖网格蛋白和不依赖网格蛋白的内吞作用, 而小肽RALF1 (rapid alkalinization factor 1)处理能刺激CME (clathrin-mediated endocytosis)途径的内吞。阻断CME途径可减弱RALF1对根系生长的抑制, 表明RALF1- FER互作调节植物的生长发育, RALF1则可通过CME途径发挥作用(Yu et al., 2020)。

另外, FER在果实成熟过程中也发挥重要作用。在草莓(Fragaria × ananassa)果实中过表达FER- like蛋白FaMRLK47能延迟草莓果实的成熟, 下调FaMRLK47表达则加速果实成熟(Jia et al., 2017a)。异源表达苹果(Malus × domestica) FER-like蛋白MdFERL1/MdFERL6可抑制番茄(Solanum lycoper-sicum)果实产生乙烯, 并延缓果实成熟, 而MdFERL6在苹果愈伤组织中过表达抑制乙烯产生(Jia et al., 2017b)。番茄SlFERL在果实中表达量较高, 受果实成熟相关转录因子RIN和TAGL1共调控; Ji等(2020a)通过表面等离子共振结合质谱分析技术鉴定到若干可能与SlFERL互作的蛋白, SlFERL能与乙烯合成途径的关键酶SlSAMS1互作, 调节乙烯的生物合成, 进而影响果实的成熟进程(Ji et al., 2020a)。

近年来, FER调节植物与病原菌间互作的报道不断涌现(表1)。Keinath等(2010)以FLS2的配体flg22处理15N/14N标记的拟南芥悬浮细胞, 采用定量蛋白质组学技术, 量化flg22刺激后15N/14N标记的拟南芥细胞质膜的早期反应, 重点分析了DRM (detergent- resistant membranes)组分中蛋白表达水平的变化。 结果表明, 经flg22刺激后, 细胞质膜上DRM组分富集的蛋白种类发生显著变化, 15分钟内64个蛋白在DRM组分中显著富集, 其中转运体和RLKs的富集程度最为显著(包括FLS2 (FLAGELLIN-SENSING 2)和FER)。随后该研究组采用反向遗传学和药理干预方法分析了这些蛋白在flg22诱导的防御反应中的作用, 结果表明, 3个候选突变体(det3、aha1和fer4)在flg22 诱发的活性氧积累、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen- activated protein kinase, MAPK)活性和气孔关闭等方面表现出功能缺陷, 暗示这3种蛋白可能是调节植物先天免疫的新组分(Keinath et al., 2010)。

此外, FER也负调控寄主植物对尖孢镰刀菌(Fu- sarium oxysporium)的免疫应答。Masachis等(2016)将尖孢镰刀菌接种到番茄根部, 分别供给水、pH5.0和pH7.0的缓冲液, 发现在pH5.0条件下, 植物的死亡率相比水和pH7.0缓冲液条件下更低, 说明胞外碱化促进尖孢镰刀菌对寄主植物的侵染。有研究表明, 尖孢镰刀菌中的丝裂原活化蛋白激酶Fmk1对尖孢镰刀菌的侵染至关重要, 胞外pH值从5.0上升至7.0可触发Fmk1快速磷酸化, 激活与致病性相关的MAPK信号级联反应, 从而促进侵入性菌丝生长和病原菌致病(Masachis et al., 2016)。进一步研究发现, 尖孢镰刀菌会产生一种类似于植物分泌的小肽F-RALF, 这种小肽与RALF1类似, 可诱导宿主组织碱化, 从而增强尖孢镰刀菌对寄主植物的侵染效率(Masachis et al., 2016)。拟南芥突变体fer4对尖孢镰刀菌产生的F-RALF不敏感, 与野生型相比其对尖孢镰刀菌菌株表现出更强的抗性, 暗示FER负调控寄主植物对尖孢镰刀菌的免疫应答。该研究揭示了一种植物病原真菌干扰植物正常生理功能的新机制, 即F-RALF与FER结合, 阻断AHA2 (H+-ATPase 2)介导的H+外流, 提高根系细胞外pH值, 促进病原菌侵染, 从而负调控免疫反应(Masachis et al., 2016)。

另外, FER也起到类似支架蛋白的作用, 介导植物免疫应答反应。Stegmann等(2017)研究发现, 拟南芥SITE-1蛋白酶(S1P)剪切内源性RALF前体肽, FER抑制植物免疫反应。研究表明, 在elf18、flg22和几丁质的作用下, s1p-3和s1p-6单突变体产生更多的ROS, 对低致病力的丁香假单胞菌番茄致病变种(Pseudomonas syringae pv. tomato) (Pto) DC3000 COR- (coronatine-minus)表现出更高抗性, 因此证明S1P是免疫负调控因子(Stegmann et al., 2017)。过表达RALF23能够抑制elf18触发的ROS生成, 增强植株对Pto DC3000 COR-和黄瓜枯萎菌Plectosp- haerella cucumerina的敏感性, 而RALF23缺失促进elf18触发的ROS产生, 增强植物对Pto DC3000的抗性, 表明RALF23同样负调控免疫。进一步研究显示, fer2和fer4突变体对elf18、flg22和几丁质的敏感性较低, 对Pto DC3000 COR-更敏感, 说明FER能正向调节免疫过程。flg22处理后, FER与FLS2和BAK1之间的互作增强, 而在fer4突变体中, flg22诱导的FLS2- BAK1复合物组装减少, fer4/FER-GFP转基因株系中复合物的水平恢复正常。RALF23过表达对flg22诱导的FLS2-BAK1复合物形成也有类似影响。值得注意的是, RALF23或FER的缺失并不影响FLS2、EFR或BAK1的积累。上述结果表明, FER促进配体诱导的FLS2/EFR与其共受体BAK1之间形成复合物, 而RALF23抑制这一过程, 进一步证实FER是调节免疫受体复合物形成的重要支架组分, 与其受体和共受体共同定位于质膜微区中(Stegmann et al., 2017)。这种FER-RALF模块可能通过调节不同的受体激酶复合物, 在生长发育或环境感知等过程中发挥重要作用(Stegmann et al., 2017)。Huang等(2020a)研究表明, 水稻中类FER受体FLR (FER-like receptor)家族成员能够调节水稻与稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)互作。他们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功敲除了FLR家族的14个成员, 结果显示FLR1和FLR13的突变体对稻瘟病的敏感性增强, 而FLR2和FLR11的功能缺失增强了水稻对稻瘟病的抗性, 且几乎未对水稻生长造成影响(Huang et al., 2020a)。

F-RALF, MYC2, FLS2, EFR, BAK1, RALF23 and MAPK see Figure 1. ...