Science Advances | 上海交通大学林文慧团队与合作者揭示细菌侵染非宿主植物诱导植物防御性生殖的新机制

种子对高等植物繁殖后代至关重要，提高种子数量有利于植物育种和农业生产。在多胚珠子房植物中，种子数量由果实数量和每个果实的种子数量（果粒数）共同决定。胚珠是种子的前体，胚珠发生决定了果粒数的最大可能性，也极大程度上影响了种子的产量，因此胚珠数量是多胚珠子房作物的重要农艺性状之一。

上海交通大学生命科学技术学院林文慧研究团队前期发现拟南芥的胚珠发生具有异步性特征【1】，分为早期（分为两批）和晚期发生两个阶段【2】，油菜素甾醇（BR）可通过信号通路中的重要转录因子BZR1调控胚珠发生相关基因的表达促进胚珠发生【3】；也可以通过影响胎座伸长以及增强生长素和细胞分裂素作用等机制促进胚珠发生、增加胚珠数量和果粒数【1，2，4】。在了解胚珠群体发生的异步性规律并解析激素互作调控胚珠发生的信号网络之后，林文慧团队进一步探讨了胚珠异步发生的生物学意义。基于已知结果推测，胚珠分批发生可能是植物响应环境的策略，在较长的生殖发育过程中，一次性发生所有的胚珠风险较高，而根据环境因素决定是否发生更多的胚珠，有利于植物本身和已发生的胚珠存活，对植物繁衍后代以及演化进步都具有重大意义。为了证明这一推测，林文慧团队深入研究了环境因素调控胚珠发生以及种子数量的机制。

近日，林文慧团队在Science Advances在线发表了题为Non-adapted bacterial infection suppresses plant reproduction的研究论文。该研究发现，水稻黄单胞菌PXO99A直接侵染非宿主植物拟南芥的花序不会导致病害，但能够抑制胚珠发生并导致果粒数下降。进一步分析发现PXO99A的VI型分泌系统分泌的效应蛋白TleA/TleB直接抑制拟南芥的胚珠发生。机制研究发现TleB结合拟南芥E3泛素连接酶PUB14，并被其多泛素化降解。在没有细菌侵染的情况下，PUB14可结合并稳定BR信号通路的重要转录因子BZR1，促进胚珠发生；过量表达PUB14导致BZR1的蛋白量增加，胚珠数量增多，表明PUB14是促进胚珠发生、提高角粒数的主效基因，具有应用价值。当非致病菌侵染时，一方面诱导PUB14表达、并引起抗病基因转录水平变化，另一方面竞争性抑制已有PUB14和BZR1的结合，释放出来的PUB14和新生成的PUB14一起结合效应蛋白并使之降解；同时PUB14不与BZR1结合后，BZR1蛋白水平下降，导致胚珠数量下降。此项研究表明非病原菌侵染不会导致非宿主植物的病害，但作为一种不良环境的信号抑制胚珠发生，减少种子数量，这对植物来说是一种生殖和防御的权衡、一种以降低种子数量来保证植株和已有种子存活的妥协策略。对于细菌来说，植物的种子数量减少，也就是库的数量减少，植物会有更多营养物质留在组织内，有利于细菌生存。结合转录组分析可推测，非病原菌侵染非宿主植物不致病但会造成抗病基因转录变化，使植物处在正常态和防御态中间的过渡态（即“防御性生殖”状态）并随时准备启动防御反应。

图1 非病原菌侵染抑制非宿主植物生殖的工作模型

通过氨基酸序列比对、蛋白结构预测、进化树分析等方法，作者还发现多种植物中都存在PUB14和BZR1同源蛋白，并且多种细菌中都具有TleB同源效应蛋白。提示非病原菌的效应蛋白TleB竞争性抑制非宿主植物的PUB14-BZR1模块的机制可能是保守的。实验证明水稻黄单胞菌侵染也可以抑制油菜、矮牵牛和番茄的胚珠发生，并降低果粒数。

图2 水稻黄单胞菌侵染也可以抑制油菜、矮牵牛和番茄的胚珠发生，降低果粒数

病原菌侵染导致植物病害以及植物通过权衡生长和抗病来防御病原菌侵染的机制此前研究较多【5】，也有报道病原菌在营养器官侵染间接影响生殖发育导致种子产量下降【6】。但病原菌侵染生殖器官、直接影响生殖发育过程的研究较少【7】。植物身处复杂的环境之中，大量环境微生物可能作为环境信号调控植物的生长发育，但非致病菌对植物生长发育的影响研究极少【8】。此项研究发现了环境因素调控生殖发育的直接机制，阐明了植物根据环境条件决定后代数量的机制，提出了胚珠群体不同时发生的生物学意义。另外，细菌六型分泌系统被认为作用于细菌种间竞争，之前未见过细菌六型分泌系统直接影响植物生长发育的报道，此项研究提示细菌的六型分泌系统可能是细菌侵染植物的非常规武器，作为不良环境信号，抑制植物的生殖发育，降低植物后代数量。此研究也为多胚珠子房作物种子数量和产量调控提供了新线索。对于一年生的多胚珠子房作物而言，生殖期遭遇短暂的不良环境而导致胚珠和种子的数量下降会严重影响产量。了解相关机制，可根据需要缓和甚至解除此种逆境响应，帮助作物克服短暂逆境影响，有利作物稳产。

上海交通大学生命科学技术学院长聘教授林文慧为本文通讯作者，南方科技大学生命科学技术学院董涛教授为论文共同通讯作者；上海交通大学博士生杨靖霆、博士生谭志敏和博士后姜雨彤为论文共同第一作者，上海交通大学博士生白宇轩和助理研究员张燕洁参与了此项研究。福建农林大学海峡联合研究院徐通达教授以及上海交通大学农业与生物学院薛红卫教授为此项研究做出了重要贡献。此项工作获得了国家自然科学基金、上海市现代种业协同创新中心以及上海市科委科技创新行动计划基础研究项目的资助。

林文慧博士，上海交通大学生命科学技术学院长聘教授，激素与种子发育研究团队负责人，聚焦种子发育和产量调控等重要问题，围绕胚珠发生、雌配子体和胚胎发育、以及激素和环境信号调控种子产量的机制等方面展开工作，取得了系列进展，研究成果发表在Science Advances, Plant Cell，Mol Plant (F1000推荐论文)，Cell Research，Cell Reports，Autophagy，Plant Biotechnology Journal，JIPB (高被引论文)等期刊上，曾获上海市自然科学二等奖，中国植物生理学会“卫志明青年创新奖”。

文献列表：

1 S. X. Yu, ……, W. H. Lin, Asynchrony of ovule primordia initiation in Arabidopsis. Development. 147, dev196618 (2020).

2 L. Q. Hu, ……, W. H. Lin, PIN3 positively regulates the late initiation of ovule primordia in Arabidopsis thaliana. PLoS. Genet. 18, e1010077 (2022).

3 H. Y. Huang, ……, W. H. Lin, BR signal influences Arabidopsis ovule and seed number through regulating related genes expression by BZR1. Mol. Plant. 6, 456-469 (2013).

4 S. H. Zu, ……, W. H. Lin, Interaction of brassinosteroid and cytokinin promotes ovule initiation and increases seed number per silique in Arabidopsis. J. Integr. Plant. Biol. 64, 702-716 (2022).

5 Z. H. He, ……, S. Y. He, Growth-defense trade-offs in plants. Curr. Biol. 32, R634-R639 (2022).

6 M. J. Gao, ……, Z. H. He, Ca2+sensor-mediated ROS scavenging suppresses rice immunity and is exploited by a fungal effector. Cell. 184, 5391-5404 (2021).

7 G. B. Li, ……, J. Fan, Overproduction of OsRACK1A, an effector-targeted scaffold protein promoting OsRBOHB-mediated ROS production, confers rice floral resistance to false smut disease without yield penalty. Mol. Plant. 15, 1790-1806 (2022).

8 H. Lin, ……, Z. H. He, An MKP-MAPK protein phosphorylation cascade controls vascular immunity in plants. Sci. Adv. 8, eabg8723 (2022).