Nature Plants | 一个调控植物免疫与发育的保守受体激酶信号调控模块

撰文 | 阿呆

受体激酶（Receptor kinases, RKs）负责直接感知细胞环境。富含亮氨酸重复的受体激酶（LRR-RK）是植物中最大的一类受体激酶，它们能够接收各种各样调控植物生长、发育、繁殖、以及对逆境的响应等各方面的配体【1】。

迄今为止，了解最为透彻的当属LRR-RK作为细胞表面免疫受体，通过识别病原体相关分子模式（Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs）, 内源性损伤相关分子模式 （Endogenous damage-associated molecular patterns, DAMPs） 等调控植物的免疫反应。比较典型的例子是拟南芥FLAGELLIN SENSING 2（FLS2）感知细菌鞭毛蛋白或其抗原表位多肽flg22，以及ELONGATION FACTOR TU RECEPTOR （EFR）与延长因子Elongation factor-Tu或其抗原表位多肽elf18相互识别调控模式触发免疫（Pattern-triggered immunity, PTI）【2-4】。类受体胞质激酶（Receptor-like cytoplasmic kinases, RLCKs）是受体激酶信号路径下游的共同组分。其中，RLCK-VII/PBS1-LIKE (PBL)家族成员是LRR-RK信号通路的关键组分，例如BOTRYTIS-INDUCED KINASE1 (BIK1) 和PBL1，就是FLS2和EFR等众多免疫相关受体激酶的下游成员（图1）【5,6】。

图1. RLCK作为RK的下游组分调控不同的生物学进程 (Liang & Zhou, Annu. Rev. Plant Biol. 2018. 69:267–99)【6】

由于缺乏已知的信号路径的机制以及许多LRR-RK 途径的中间体，使得对LRR-RK 信号特异性的理解知之甚少。此外，细胞表面受体识别配体进而精准调控发育与免疫进程的机制也还有很多未解之谜。近日，瑞士苏黎世大学等单位的Cyril Zipfel、University of Lausanne的Christian S. Hardtke及北卡莱罗拉大学教堂山分校的Zachary L. Nimchuk及合作者发现了一种受体激酶在免疫及发育信号路径的保守调控机制，相关成果以题为“A conserved module regulates receptor kinase signalling in immunity and development”的论文发表在Nature Plants期刊上。

在本研究中，作者首先发现Type-2C protein phosphatases (PP2Cs)成员POLTERGEIST-LIKE 4 和 5 (PLL4 and PLL5)是多个 LRR-RKs介导的PTI途径的共同下游组分，进一步研究发现其PLL4的氨基端（N-terminal）是配体（flg22和elf18）诱导PLL4从受体（FLS2和EFR）上解离（dissociation）所必需的，其中的保守结构域S-X-X-L是BIK1及PBL1进行磷酸化的靶位点。因此，BIK1及PBL1介导的PLL4蛋白 N末端的磷酸化是促进flg22诱导的PLL4从免疫响应受体激酶上解离的关键（图2）。

图2. BIK1通过磷酸化PLL4蛋白N末端的SXXL结构域促进其从受体激酶复合体上解离，从而激活flg22诱导的PTI途径

CLAVATA 1 (CLV1)和 BARELY ANY MERISTEM (BAM1-3) 通过感知CLAVATA3 /EMBRYO SURROUNDING REGION-RELATED 家族多肽(CLEp) 是LRR-RK信号路径是介导植物生长发育的经典案例【7, 8】。体外磷酸化实验表明PBL34与CLEp受体BAM3的胞质结构域（BAM3-CD）能够互相磷酸化，而PBL34中一个氨基酸的突变（L135F）能够显著降低其激酶活性，且对CLEp的敏感性降低。PBL34与PBL35和PBL36同属RLCK-VII-5 亚家族成员，它们的三突变体对CLEp诱导的根发育完全不敏感，相反的是，RLCK-VII其它亚家族成员的突变体并没有这一显著的表型，表明RLCK-VII-5亚家族成员对CLEp信号通路而言是必需且特异的（图3）。进一步表型分析表明RLCK-VII-5s对CLEp-CLV1/BAM介导的各种发育进程都是至关重要的。

图3. 不同RLCK-VII亚家族成员突变体对CLV3p介导的根发育的敏感性比较

鉴于POLTERGEIST (POL)和PLL1的功能失活突变体能够部分抑制clv1的突变表型[9, 10], 表明POL和PLL1能负调控CLEp路径，但是对flg22 或 elf18 处理无响应，表明PLL家族成员对CLEp和PTI路径具有特异性，即POL/PLL1-PBL34-BAM3/CLV1与PLL4/5-BIK1/PBL1-FLS2。类似的是，POL蛋白N末端的S-X-X-L结构域是PBL34的磷酸化位点，该位点的磷酸化负调控POL，从而激活是CLV1/BAM 信号通路。

综上所述，该研究阐明了一个在免疫和发育中保守的激酶受体调控模块，即：在无配体的情况下，PPL家族的磷酸酶抑制受体激酶的的磷酸化，从而抑制下游信号通路；在有配体存在的情况下，相应的激酶受体能够识别，继而招募并激活特异的RLCK-VII/PBL成员，这些RLCK-VII/PBL成员能够磷酸化PPL家族的磷酸酶的N末端，促进其从激酶受体复合体上解离，激活下游的信号通路（图4）。

图4. PL磷酸酶及RLCK-VII/PBL成员介导的PAMP and CLEp的调控机制

参考文献：

1. Dievart, A., Gottin, C., Périn, C., Ranwez, V. & Chantret, N. Origin and diversity of plant receptor-like kinases. Annu. Rev. Plant Biol. 71, 131–156 (2020).

2. Gómez-Gómez, L. & Boller, T. FLS2: an LRR receptor-like kinase involved in the perception of the bacterial elicitor flagellin in Arabidopsis. Mol. Cell 5, 1003–1011 (2000).

3. Zipfel, C. et al. Bacterial disease resistance in Arabidopsis through flagellin perception. Nature 428, 764–767 (2004).

4. Zipfel, C. et al. Perception of the bacterial PAMP EF-Tu by the receptor EFR restricts Agrobacterium-mediated transformation. Cell 125, 749–760 (2006).

5. DeFalco, T. A. & Zipfel, C. Molecular mechanisms of early plant pattern-triggered immune signaling. Mol. Cell 81, 3449–3467 (2021).

6. Liang, X. & Zhou, J. Receptor-like cytoplasmic kinases: central players in plant receptor kinase-mediated signaling. Annu. Rev. Plant Biol. 69, 267–299 (2018).

7. Hazak, O. & Hardtke, C. S. CLAVATA 1-type receptors in plant development. J. Exp. Bot. 67, 4827–4833 (2016).

8. Nimchuk, Z. L. CLAVATA1 controls distinct signaling outputs that buffer shoot stem cell proliferation through a two-step transcriptional compensation loop. PLoS Genet. 13, e1006681 (2017).

9. Hazak, O. et al. Perception of root‐active CLE peptides requires CORYNE function in the phloem vasculature. EMBO Rep. 18, 1367–1381 (2017).

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01134-w