近日，中国农业科学院植物保护研究所作物有害生物功能基因组研究创新团队在植物学知名期刊《植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）》上发表题为“Multilayer regulatory landscape during pattern-triggered immunity in rice”的研究论文。该研究通过多组学策略，系统解析了水稻抗病过程中的PTI响应机制，对深入理解植物抗病过程，以及指导水稻抗病育种具有重要意义。
植物进化出了复杂的防御机制来防止病原真菌和细菌侵染。植物的防御系统包括病原相关分子模式触发的免疫（PTI）和效应子触发的免疫（ETI）。其中，PTI介导的防御由病原相关分子模式（PAMP）诱导，如真菌来源的几丁质（chitin）和细菌来源的flg22。这些PAMPs由特定受体识别，激活下游信号通路，诱导一系列分子和生理生化反应，统称为病原相关分子模式触发的免疫（PTI）。截至目前，已有一些报道采用单一或两种组合的组学策略研究植物的PTI响应机制（包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学等），但采用多组学策略整合研究PTI过程的较少。另外，大多数关于PTI响应过程的组学分析都集中于双子叶植物拟南芥，研究结论可能不适用于水稻和其他单子叶植物。
在本研究中，研究人员整合了代谢组、转录组、蛋白质组、泛素化组和乙酰化组数据，阐明了水稻对真菌和细菌的PAMPs（chitin和flg22）的PTI响应机制。研究发现chitin触发的PTI反应在转录和翻译水平上与flg22更为相似，但在翻译后修饰水平和代谢水平上比flg22反应不同且更为强烈。在chitin和flg22诱导的差异表达基因中发现了许多防御相关基因，包括编码RLK、MAPK和CDPKs的基因、转录因子、激素信号成分和次级代谢基因。有趣的是，多组学研究揭示了一些关键的生长防御平衡主调节基因（包括OsALDH2B1、BSRD1、GRF9、HD16、DWARF11、GLW7/SPL13和EBR1等）可能在水稻PTI响应过程中介导生长-抗病之间的平衡。对水稻转录组和蛋白质组的进一步整合分析发现，两种PAMP处理的mRNA和蛋白质丰度之间存在不一致的情况。泛素化组学和乙酰化组学分析发现，蛋白质翻译后修饰调节可能在这种差异中发挥关键作用。
通过绘制代谢物和调控变化图，系统总结了PTI过程中糖酵解/糖异生、苯丙烷合成、类黄酮生物合成和亚油酸相关途径中的多层次调控机制。研究表明，水稻中的亚油酸代谢和α-亚麻酸代谢途径很可能受到flg22的特异性诱导。此外，与脂类、萜类（二萜类、倍半萜类和三萜类生物合成）和维生素（生物素代谢和核黄素代谢）相关的途径可能也是flg22特异的PTI反应。该研究通过多组学分析构建了多层次水稻PTI响应过程调控图谱，为深入解析水稻抗病过程中的PTI响应机制提供了重要参考和资源。
中国农业科学院植物保护研究所刘文德研究员和华中农业大学植物科学技术学院陈小林副教授为本文的共同通讯作者。中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所周绍群博士等参与了相关工作。研究得到中国农业科学院农业科技创新工程的资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13688
日期：2021-09-26
