光是調(diào)控植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境信號。植物在光下將氣孔打開，進(jìn)行氣體交換，二氧化碳進(jìn)入，進(jìn)而進(jìn)行光合作用。然而，開放的氣孔也可能是病原體的潛在入口。病原菌主要通過氣孔進(jìn)入植物細(xì)胞，病原菌入侵時植物首先啟動包括氣孔免疫的一系列PTI免疫反應(yīng)。通過氣孔免疫，植物關(guān)閉氣孔，有效地減少病原菌的入侵。因此，氣孔的開啟和關(guān)閉代表了植物在不斷變化的環(huán)境中對生長和防御之間平衡的快速調(diào)整。植物能否在藍(lán)光促進(jìn)氣孔打開時就預(yù)知危險并為防御病原體做好準(zhǔn)備，以及藍(lán)光信號如何平衡光合生長與防御反應(yīng)均未知。
2024年12月27日，深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院劉宏濤教授團(tuán)隊和英國The Sainsbury Laboratory（TSL）研究所馬文勃教授合作，在Cell Host & Microbe在線發(fā)表了題為The blue-light receptor CRY1 serves as a switch to balance photosynthesis and plant defense的研究論文。研究表明，擬南芥藍(lán)光受體隱花色素1（CRY1）不僅介導(dǎo)藍(lán)光打開氣孔，還能在病原菌入侵時幫助氣孔迅速關(guān)閉，參與調(diào)控氣孔免疫過程。同時，CRY1還調(diào)控了PTI免疫的多個方面，作為一個“雙控開關(guān)”平衡了植物的光合和免疫。
本研究發(fā)現(xiàn)擬南芥藍(lán)光受體CRY1不僅可以在藍(lán)光下促進(jìn)氣孔開啟，還可以為應(yīng)對病原菌做好準(zhǔn)備，增強(qiáng)PTI免疫反應(yīng)，包括氣孔免疫，在病原菌入侵時快速關(guān)閉氣孔。在黑暗中，植物氣孔關(guān)閉，病原菌很難進(jìn)入植物體內(nèi)。而在藍(lán)光下，CRY1會幫助植物將氣孔打開進(jìn)行光合作用，同時CRY1也會幫助植物積累LURP1（LATE UPREGULATED IN RESPONSE TOHYALOPERONOSPORAPARASITICA）蛋白，隨時為防御可能到來的病原菌做好準(zhǔn)備。病原菌入侵時，LURP1會迅速以鈣和藍(lán)光/CRY1依賴的方式發(fā)生N端棕櫚酰化修飾，并發(fā)生定位變化，定位到細(xì)胞質(zhì)膜。在質(zhì)膜上，LURP1與免疫受體FLS2 (FLAGELLIN SENSING 2)相互作用并激活其功能，以增強(qiáng)植物PTI免疫反應(yīng)（圖1）。
圖1 藍(lán)光受體CRY1平衡植物光合和免疫
本研究的發(fā)現(xiàn)對于理解植物如何在動態(tài)環(huán)境中有效地平衡光合-防御有著重要的意義。首先，藍(lán)光受體CRY1既能調(diào)控氣孔打開又能調(diào)控氣孔關(guān)閉，作為一個受體開關(guān)，發(fā)揮了開和關(guān)這兩種功效，在不斷變換的環(huán)境中動態(tài)地調(diào)整植物生長和免疫狀態(tài)。其次，本文首次揭示了光信號增強(qiáng)植物PTI免疫的分子機(jī)制。在1970年就有文章報道，隨著光強(qiáng)的減弱，植物對病原菌的抗性也變?nèi)酰珯C(jī)制一直未知。本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可以通過受體CRY1介導(dǎo)LURP1對免疫受體FLS2的調(diào)控，解析了這種現(xiàn)象背后的分子機(jī)制。第三， 本研究首次報道了能夠促進(jìn)FLS2與共受體BAK1結(jié)合并促進(jìn)受體激活的元件LURP1，對更好地理解免疫受體激活過程有著重要意義（圖2）。
圖2 LURP1促進(jìn)免疫受體激活的模式圖
華東師范大學(xué)的青年研究員郝宇涵和深圳大學(xué)的博士后曾澤賢為共同第一作者，深圳大學(xué)的劉宏濤教授和英國TSL研究所的馬文勃教授為本文共同通訊作者。本研究也獲得中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的辛秀芳、王佳偉和張鵬研究員的鼎力支持。在完成過程中，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的袁民航博士做出了很大貢獻(xiàn)。深圳大學(xué)的楊郁教授和郭世聳博士、TSL研究所的李輝博士、加州大學(xué)河濱分校的Shushu Jiang和Eva Hawara以及辰山植物園的李建戌研究員也參與了相關(guān)工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、中科院先導(dǎo)計劃、中科院青促會項目、中國博士后基金、蓋茨比慈善基金會、英國研究與創(chuàng)新署生物技術(shù)和生物科學(xué)研究委員會的資助。
