2023年4月30日，Plant Cell杂志在线发表了三篇文章，其中三篇文章全部来自国内课题组，具体如下：
1. 中国农业科学院作物科学研究所荞麦基因资源创新研究组周美亮研究员团队在The Plant Cell上发表了题为“Multi-omics analysis reveals the molecular mechanisms underlying virulence in Rhizoctonia and jasmonic acid–mediated resistance in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum)”的研究型论文，利用多组学方法揭示了茉莉酸诱导的黄酮类物质代谢参与调控苦荞对立枯丝核菌抗性的分子机制。
2. 中国农业大学大学植物抗逆高效全国重点实验室李继刚课题组和郭岩课题组合作在国际知名学术期刊The Plant Cell在线发表了题为“SALT OVERLY SENSITIVE2 stabilizes phytochrome-interacting factors PIF4 and PIF5 to promote Arabidopsis shade avoidance”的研究论文，揭示了SOS2调控植物协同响应遮荫和盐胁迫双重逆境的分子机制。
3. 中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室郭岩教授课题组和李继刚教授课题组合作在国际知名学术期刊The Plant Cell在线发表了题为“Phytochromes enhance SOS2-mediated PIF1 and PIF3 phosphorylation and degradation to promote Arabidopsis salt tolerance”的研究论文，揭示了phy-SOS2-PIF分子模块在光下促进植物耐盐的分子机制。
详细解读如下：
近日，中国农业科学院作物科学研究所荞麦基因资源创新研究组周美亮研究员团队在国际著名期刊The Plant Cell上发表了题为“Multi-omics analysis reveals the molecular mechanisms underlying virulence in Rhizoctonia and jasmonic acid–mediated resistance in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum)”的研究型论文，利用多组学方法揭示了茉莉酸诱导的黄酮类物质代谢参与调控苦荞对立枯丝核菌抗性的分子机制。
该课题组前期发现苦荞立枯丝核菌病原菌株AG4-HGI 3的寄主范围十分广泛，可侵染禾本科、十字花科、葫芦科、豆科、茄科和苋科等多种重要粮食和经济作物，毒性较强。此外，还发现苦荞驯化过程中黄酮类物质含量及对立枯病的抗性均显著下降，通过群体基因组分析发现多个苦荞驯化位点同时与黄酮类物质代谢和抗病性密切相关（Zhang et al., Genome Biol, 2021; Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023）。为了解析该病原菌侵染苦荞的分子机制，课题组首先组装了AG4-HGI 3菌株的基因组，并与其他菌株进行比较，发现该菌株具有丰富的致病基因。通过植物-真菌互作转录组鉴定出了一系列立枯丝核菌的致病基因及苦荞响应立枯丝核菌的基因。对差异表达基因进行功能注释发现苦荞中有许多茉莉酸（Jasmonate acid，JA）合成和信号转导通路的关键基因在受立枯丝核菌侵染后显著差异表达，暗示了JA信号通路可能在苦荞响应立枯丝核菌侵染过程中起关键作用。
为了进一步挖掘抗病候选基因，课题组对320份苦荞核心种质资源的抗病性进行了检测，发现苦荞种质资源的抗病性具有高度的变异性，为培育抗病性高的苦荞品种提供了宝贵的遗传材料。利用苦荞种质资源的全基因组重测序数据进行GWAS研究，共鉴定到7条染色体上的16个区间的790个与抗病相关的候选基因，其中106个基因在立枯丝核菌侵染及茉莉酸甲酯处理后均显著差异表达，并且与黄酮类物质合成代谢调控密切相关。
利用互作转录组和GWAS关联分析鉴定苦荞对立枯丝核菌的抗性基因
进一步研究发现JA合成代谢通路关键酶基因FtCYP94C1在苦荞受立枯丝核菌侵染后及茉莉酸处理后均显著差异表达，并且过表达该基因可显著提高植物的抗病性。通过对过表达植株进行代谢组检测发现，FtCYP94C1可显著提高黄酮类物质芦丁的含量。前期已有研究表明黄酮类物质芦丁具有提高植物抗病性的能力，推测FtCYP94C1可能通过提高黄酮类物质芦丁的含量来帮助苦荞抵抗立枯丝核菌的侵染。
FtCYP94C1通过提高黄酮类物质芦丁的含量提高植物的抗病性
此外，该研究还发现受JA诱导显著差异表达的丝氨酸羟甲基转移酶FtSHMT，该蛋白可参与黄酮类物质代谢。通过筛选FtSHMT的互作蛋白发现FtSHMT可与立枯丝核菌毒力蛋白阿糖醇2-脱氢酶RsDAD互作。亚细胞定位结果显示RsDAD可定位于植物细胞核，并且该毒力蛋白可促进立枯丝核菌侵染植物，推测RsDAD与FtSHMT的互作可能对立枯丝核菌侵染苦荞植株至关重要。总之，该研究通过整合群体遗传学与转录组和代谢组等多种组学方法，揭示了立枯丝核菌与苦荞互作的分子机制，为重要粮食和经济作物抗病分子育种提供了重要的基因资源。
RsDAD与FtSHMT互作参与立枯丝核菌侵染苦荞
2. 中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室郭岩教授课题组和李继刚教授课题组合作在国际知名学术期刊The Plant Cell在线发表了题为“Phytochromes enhance SOS2-mediated PIF1 and PIF3 phosphorylation and degradation to promote Arabidopsis salt tolerance”的研究论文，揭示了phy-SOS2-PIF分子模块在光下促进植物耐盐的分子机制。
盐胁迫严重阻碍植物生长，制约农业的发展。当植物感受外界盐胁迫时，胞内的钙离子浓度([Ca2+]cyt)迅速上升，钙结合蛋白Salt Overly Sensitive3 (SOS3) 以及SOS3-LIKE CALCIUM BINDING PROTEIN8 (SCaBP8) 能够感知并结合盐胁迫诱导上升的钙离子(Zhu et al., 1998; Quan et al., 2007; Yang and Guo, 2018)，进而结合并激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶SOS2。激活后的SOS2进一步被招募至质膜上，磷酸化Na+/H+反向转运体SOS1，将Na+外排至质外体，以维持胞质内的Na+浓度动态平衡 (Yang and Guo, 2018)。然而，SOS2能够同时定位于细胞质和细胞核中，位于细胞核中的SOS2在植物响应盐胁迫中是否发挥调控功能，先前并不清楚。
光是影响植物生长发育最主要的环境因子之一，调控着植物生命周期的多个过程，包括种子萌发、光形态建成以及开花等 (Li et al., 2011)。近年的研究表明，光也参与调控植物对非生物胁迫 (如低温、ABA信号等) 的响应过程，但是光是否调控植物对盐胁迫的响应，目前知之甚少。
该研究首先在不同光照条件下检测野生型拟南芥幼苗在盐胁迫下的生长情况，发现光照可以增强拟南芥对盐胁迫的耐受性。后续实验揭示拟南芥中主要的红光和远红光受体——光敏色素A (phyA)和phyB介导该过程，同时发现phyA/phyB照光后与蛋白激酶SOS2的相互作用增强，并与盐胁迫协同诱导SOS2的激酶活性。生化实验结果表明，phyA/phyB, SOS2和PIFs能够两两相互作用，且SOS2-PIF相互作用后能与phyA/phyB共定位于核小体 (Nuclear Bodies, NBs) 中。在细胞核中，SOS2通过介导PIF1和PIF3的磷酸化修饰，进而促进PIF1/PIF3蛋白在盐胁迫下的降解。进一步的表型分析发现，pifq (缺失PIF1，PIF3，PIF4和PIF5的四突变体) 对盐胁迫具有更强的耐受性，表明PIFs是植物耐受盐胁迫的负调控因子。在sos2背景下突变多个PIFs能够部分恢复sos2突变体的盐敏感表型，进一步在遗传上证明了SOS2和PIFs的调控关系。
图1. 光促进植物耐盐的分子模式图。在黑暗下，盐胁迫诱导的SOS2激酶活性较低，PIF1/PIF3被SOS2磷酸化并降解的程度较低，因而PIF1/PIF3积累水平较高，能够促进植物生长，但是削弱植物对盐胁迫的耐受性。当植物破土见光后，光激活的phyA/phyB显著增强盐胁迫诱导的SOS2激酶活性，SOS2促进PIF1/PIF3蛋白磷酸化和降解，最终增强植物在光下对盐胁迫的耐受性。同时，激活的SOS2也被招募至细胞质膜上，磷酸化并激活Na+/H+反向转运体SOS1，促进Na+外排至质外体，进一步增强植物对盐胁迫的耐受性。
综上，该研究揭示了光激活的phyA/phyB能够显著增强盐胁迫诱导的SOS2激酶活性，进而促进SOS2介导的PIF1/PIF3蛋白磷酸化和降解，解除PIF1/PIF3对植物耐盐的负调控作用，最终增强植物对盐的耐受性 (图1)。该研究揭示了植物在盐胁迫下破土见光过程中平衡生长和耐盐的调控机制，并且有助于理解植物如何根据环境动态变化的光信号，实时调整自身的生长发育及对逆境胁迫的耐受性。
3. 中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室李继刚课题组和郭岩课题组合作在国际知名学术期刊The Plant Cell在线发表了题为“SALT OVERLY SENSITIVE2 stabilizes phytochrome-interacting factors PIF4 and PIF5 to promote Arabidopsis shade avoidance”的研究论文，揭示了SOS2调控植物协同响应遮荫和盐胁迫双重逆境的分子机制。
在高密度种植下植物会彼此遮挡，阳光中的红光和蓝光被位于上部的叶片吸收用于光合作用，而远红光则在遮荫环境中富集，导致下层植物感知到的红光/远红光比例降低，诱发产生避荫反应，表现为叶柄伸长、开花提前等 (Li et al., 2011)。避荫反应是植物在竞争有限光照的逆境下产生的适应性反应，而遮荫信号主要由植物的红光/远红光受体——光敏色素 (phytochrome) 所感知。PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS (PIFs) 是一类促进植物生长的转录因子，在红光/远红光比例较高时光敏色素B (phyB) 被激活，能够结合PIFs蛋白保守的APB (active phytochrome B) 基序，促进PIFs的快速磷酸化和降解；而遮荫条件下红光/远红光比例较低，促进phyB转变为没有活性的形式，不能与PIFs相互作用，因此PIFs在遮荫环境下能够积累，最终促进植物生长 (Casal, 2013)。然而，是否还有其他因子参与调控植物避荫反应，以及植物如何协同响应遮荫和其他逆境胁迫 (比如盐、干旱等)，目前知之甚少。
Salt Overly Sensitive2 (SOS2) 是植物应对盐胁迫的关键蛋白激酶，被盐激活后能够磷酸化并激活Na+/H+反转运蛋白SOS1，从而将过量的Na+排出细胞 (Yang and Guo, 2018)。李继刚课题组研究发现，sos2的多个突变体在遮荫条件下均表现出比野生型下胚轴短的表型，在盐胁迫下sos2对遮荫的响应缺陷进一步增强，表明SOS2在植物协同响应盐和遮荫双重胁迫中发挥关键的调控功能。蛋白免疫印迹结果表明，避荫反应重要调控蛋白PIF4/PIF5在sos2突变体中明显减少。进一步研究发现，SOS2不调控PIF4/PIF5基因表达，但是能够抑制PIF4/PIF5被26S蛋白酶体降解，从而促进它们在遮荫下的蛋白稳定性。遗传分析结果显示，PIF4/PIF5在避荫反应中位于SOS2的遗传上位。因此，SOS2在遮荫下通过促进PIF4/PIF5蛋白的稳定性，正调控植物的避荫反应。
SOS2作为激酶蛋白，能够与PIF4/PIF5相互作用，并且在体外直接磷酸化PIF4/PIF5蛋白。通过LC-MS/MS分析，发现SOS2能够磷酸化PIF4/PIF5蛋白的一个保守Ser位点 (PIF4的S20和PIF5的S22)，有意思的是该位点位于PIF4/PIF5蛋白的APB基序附近。酵母双杂交实验结果显示，将该位点突变为模拟磷酸化形式的天冬氨酸能够显著降低PIF420D与phyB活性形式的相互作用。而将该位点突变为不能磷酸化的丙氨酸时，Super:PIF4S20A-Myc转基因植株中的PIF4蛋白水平显著降低，且该材料幼苗在遮荫下表现出明显的短下胚轴表型。因此，该研究结果表明SOS2通过磷酸化PIF4的S20位点，阻碍其与phyB活性形式的相互作用，从而在遮荫下促进PIF4的蛋白积累。
该研究与背靠背发表在The Plant Cell的论文 (Ma et al., 2023) 还发现，光受体phyA和phyB能够与SOS2直接相互作用，在光下促进盐胁迫对SOS2激酶活性的诱导，从而增强植物在光下对盐胁迫的耐受性。
综上，尽管盐胁迫下植物的生长以及避荫反应均被显著抑制，但是本研究表明盐胁迫激活的SOS2通过调控phyB-PIF模块，促进PIF4/PIF5蛋白稳定性，从而协同调控植物对遮荫和盐胁迫双重逆境的响应，防止盐胁迫下植物的避荫反应被过度抑制 (图1)。该研究为深入解析植物对复杂逆境的响应机制提供了新的见解。
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