山东农业大学丁新华课题组在植物和微生物中发现一个新的核苷免疫信号分子

责编 | 王一

作物病害种类多、频繁大面积发生严重影响粮食安全和农产品品质。传统化学农药广泛用于控制世界各地的作物病害，导致水、土壤和大气受到严重污染，并导致生态系统失衡。有益的内生真菌在植物生长、发育、抗病性和耐逆性中发挥着各种不可或缺的作用，目前我们对于内生真菌诱导植物免疫的物质了解甚少。利用植物免疫尤其广谱免疫防治病害是最经济有效的方式。因此，分离、鉴定有益内生菌激活植物抗病性的关键免疫活性物质对于研发高效、绿色植物免疫诱抗剂意义重大。

近日，山东农业大学丁新华教授课题组在Journal of Advanced Research(IF=12.822) 在线发表了题为“Discovery of a novel nucleoside immune signaling molecule 2’-deoxyguanosine in microbes and plants”的研究论文，揭示了新型核苷免疫信号分子2’-脱氧鸟苷 （2’-deoxyguanosine，2-dG） 高效介导植物免疫抗性的分子机制。

山东农业大学丁新华课题组长期聚焦于微生物与植物互作机制以及超高效植物免疫诱抗剂免疫机制研究。课题组前期研究发现，植物内生真菌宛氏拟青霉 （Paecilomyces Variotii） 的发酵提取物“智能聪” （ZNC） 是一种超强的植物免疫诱抗剂，其具有超高活性 (ppb级) ，1ng/ml的ZNC就能促进植物生长，100 ng/ml的ZNC显著增强植物免疫 （Lu et al., 2019; Plant and soil） ，并能提高作物产量和品质 （Cao et al., 2021; Frontiers in Plant Science） 。植物免疫诱抗剂ZNC在全国多地获得了大面积推广应用，但是对于其活性物质还不清楚。通过对ZNC进行非靶向代谢组分析及免疫活性验证，发现组成核酸的基本碱基之一鸟嘌呤具有激发植物免疫的能力，并初步探索了鸟嘌呤在增强植物抗病性的作用和机理，该成果于今年2月份发表 （Wang et al., 2022, Frontiers in Plant science） 。

近日，丁新华课题组在以上研究基础上首次揭示了ZNC的免疫活性成分2’-脱氧鸟苷通过激活植物基础免疫增强植物抗病性的分子机制，并发现拟南芥VENOSA4 (VEN4) 参与2-dG的生物合成并在植物免疫响应过程中发挥重要作用。2-dG是一种天然的脱氧核苷, 同时也是寡脱氧核苷酸等抗病毒、抗肿瘤核酸药物的重要原料，但其在调控植物免疫中的作用研究处于空白。该研究建立了一套基于LC-MS的高效、高精度的物质分离、免疫活性鉴定系统，鉴定到核苷类物质2’-脱氧鸟苷 （2’-deoxyguanosine，2-dG） 是植物内生真菌宛氏拟青霉 （Paecilomyces Variotii） 发酵提取物“智能聪” （ZNC） 的免疫活性成分之一，其在10 ng/ml就能显著激发植物经典免疫响应。研究表明2-dG激活植物水杨酸和乙烯抗病信号路径，在水杨酸受体突变体npr1以及乙烯信号转导、合成多突突变体中丧失免疫活性，但仍能提高水杨酸合成突变体ics1的抗病性。此外，2-dG激活乙烯信号路径，并在ein2，ein3以及乙烯合成多突突变体中丧失植物免疫，这表明2-dG激活植物免疫需要水杨酸受体NPR1以及乙烯信号路径，但不依赖于水杨酸。

进一步的研究表明，2-dG上调植物病原相关分子识别模式PAMPs激活的免疫相关标志基因表达，遗传证据表明2-dG激活植物免疫依赖膜定位的模式识别受体/辅受体 （PRRs/co-receptors） ，并在ATP受体突变体dorn1-3 （别名P2K1） 中丧失免疫活性，这表明2-dG激活植物免疫需要PRRs/co-receptors，且2-dG与ATP在植物中的识别模式相似。

进一步地研究发现，拟南芥VENOSA4 (VEN4) 能将2’-脱氧鸟苷-5’-三磷酸 （2'-Deoxyguanosine-5'-triphosphate，dGTP） 去三磷酸生成2’-脱氧鸟苷，其表达量受到病原菌诱导，遗传证据表明ven4突变体更加感病，且在病原菌入侵后内源2-dG积累量减少，系统免疫抗性及其相关基因表达量降低，这说明VEN4是植物内源2-dG合成基因，并参与植物免疫。总结研究内容，内生真菌源的2-dG可直接激活乙烯、水杨酸信号路径以及和PTI响应。此外，2-dG生物合成基因VEN4受病原体诱导表达，调控植物免疫。2-dG依赖乙烯路径、NPR1、PRRs/co-receptors和P2K1赋予植物免疫抗性。

2’-脱氧鸟苷参与植物免疫反应的模型

山东农业大学作物生物学国家重点实验室师资博士后路冲冲以及山东蓬勃生物有限公司王庆彬为该论文并列第一作者，丁新华教授为通讯作者。此外，山东农业大学李洋副教授、尹梓屹教授、张民教授、刘建柱教授、朱常香教授、董汉松教授，武汉大学储昭辉教授和烟台植保所刘保友研究员参与指导了该项工作，博士姜炎柯、硕士隋育荣、岳英哲及蒿明霞等也参与了该项研究。蓬勃生物有限公司为该研究提供了物质分离鉴定的技术支持。研究受到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划、山东农业大学植物保护学院作物病虫害研究所等项目的资助。

近年来，丁新华教授课题组在植物免疫诱抗剂研究领域取得了一系列突破性进展，在Nature Genetics、Molecular Plant、Plant Cell、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Communications、Plant Journal、Journal of Nanobiotechnology等植物学、植物病理学以及纳米生物技术主流刊物上发表了相关研究成果。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123222001539?via%3Dihub