Nature Plants | 组蛋白双价修饰协同受体激酶TaFIPR调控小麦植物细胞因子簇介...

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（来源：小麦研究联盟）

在植物和动物的先天免疫系统中，分泌型小肽作为内源信号分子，在协调生长、发育、免疫以及环境适应等生物学过程中发挥着重要作用。其中，具有免疫调节功能的肽被称为植物细胞因子（Phytocytokines）。这些细胞因子能够通过特定的质膜受体激酶被感知，从而像警报信号一样启动植物对病原体感染的防御反应。然而，植物细胞因子的过度产生往往会导致生长缺陷和适应性代价。因此，植物必须精确调控细胞因子的生物合成，以平衡生长与防御。尽管已有研究鉴定了一些调控植物细胞因子表达的转录因子，但植物在受到免疫刺激时，如何实现细胞因子基因从转录抑制状态向快速激活状态转换的分子机制，尤其是在作物中，仍不清楚。小麦赤霉病（FHB）和茎基腐病（FCR）是由镰刀菌（Fusarium）引起的毁灭性病害，严重威胁全球小麦生产，深入解析小麦对镰刀菌的基部抗性（Basal resistance）机制具有重要意义。

浙江大学农业与生物技术学院马忠华团队与刘尊勇团队在Nature Plants发表题为“Epigenetic regulation of TaFIP phytocytokine clusters confers basal resistance via receptor kinase TaFIPR in wheat”的论文，揭示了小麦通过组蛋白双价修饰（Bivalent histone marks）精确调控植物细胞因子簇表达，并通过其受体激酶TaFIPR增强对镰刀菌基部抗性的分子机制。该研究识别了一类受镰刀菌强烈诱导的小肽簇TaFIPs，发现其受到激活型修饰H3K4me3和抑制型修饰H3K27me3的共同调控，这种双价修饰状态使得TaFIP基因能够对免疫刺激做出快速转录响应。功能分析表明，富含亮氨酸重复序列的受体激酶TaFIPR能直接识别并结合TaFIPs，激活下游免疫反应，从而提高小麦对赤霉病和茎基腐病的抗性。

TaFIP小肽簇受镰刀菌感染和免疫诱导剂显著诱导

为了鉴定参与小麦抗镰刀菌反应的小肽，研究团队分析了小麦受禾谷镰刀菌（Fg）感染后的转录组数据。在众多候选肽中，发现了一类由13个基因组成的小肽家族，它们成簇分布在小麦的A、B和D亚基因组上（图1）。这些小肽被命名为TaFIPs（Triticum aestivum Fusarium-Induced Peptides）。序列分析显示，TaFIPs具有典型的N端信号肽和高度保守的C端结构域（图1b）。

转录水平检测发现，TaFIP基因在正常生长条件下表达水平极低，但在受到禾谷镰刀菌、假禾谷镰刀菌（Fp）、几丁质（Chitin）或flg22等免疫诱导剂刺激后，表达量在30-45分钟内迅速达到峰值，随后快速回落（图1c-e）。这种紧密的调控机制暗示小麦能够通过精确控制TaFIPs的产生来平衡防御响应，避免持续过量表达带来的生长代价。

H3K4me3和H3K27me3协同调控TaFIP簇的动态表达

研究团队进一步探索了TaFIPs快速转录切换的表观遗传机制。基因组范围内的小麦组蛋白修饰图谱显示，受镰刀菌诱导的基因（尤其是小肽和受体激酶类基因）在正常条件下具有较高的H3K27me3（抑制型修饰）水平（图2a-b）。实验证实，TaFIP基因座上同时富集了H3K4me3（激活型修饰）和H3K27me3修饰（图2c-d）。

这种激活型和抑制型修饰共存的状态被称为“双价修饰（Bivalent marks）”，它通常使基因处于一种“待命”状态，既保持低水平表达，又能对外部信号做出快速反应。研究发现，在几丁质、flg22或镰刀菌处理初期，TaFIPs上的H3K27me3水平显著下降，而H3K4me3水平上升（图2d-h），这种组蛋白修饰的动态切换与TaFIP基因的快速转录激活高度一致。

TaSWN介导的H3K27me3维持TaFIPs的抑制状态

通过筛选小麦中的组蛋白甲基转移酶，研究人员锁定了TaSWN。TaSWN编码H3K27me3甲基转移酶，其表达受镰刀菌抑制。在利用CRISPR/Cas9技术创制的Taswn-cr突变体中，TaFIP基因座上的H3K27me3水平显著降低，导致TaFIP基因的基部表达水平升高，且在几丁质或镰刀菌刺激后表现出更强、更持久的诱导响应（图3a-e）。

功能评价显示，Taswn-cr突变体对赤霉病和茎基腐病的抗性显著增强（图3f-g）。此外，使用组蛋白去甲基化酶抑制剂（GSK-J1/J4）处理，会抑制TaFIP基因的诱导表达。这些结果证明，TaFIPs的表达受到表观遗传的精密控制，H3K27me3的移除是TaFIPs激活的关键步骤。

TaFIP小肽簇作为免疫激活因子增强小麦抗病性

研究团队通过化学合成多种TaFIP小肽进行功能验证。结果显示，极低浓度的TaFIPs即可显著诱导小麦叶片中丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的激活、活性氧（ROS）的积累以及多种防御相关基因的表达（图4a-c）。重要的是，在病原菌接种前喷施TaFIP小肽，能显著增强小麦对赤霉病和茎基腐病的抗性（图4d-e）。同时，TaFIPs处理不会对小麦的幼苗生长产生不良影响，也不会直接抑制真菌生长，这表明它们是作为内源信号分子增强了植物的基部免疫。

受体激酶TaFIPR直接识别并介导TaFIPs激发的免疫反应

为了寻找TaFIPs的感知受体，研究人员鉴定了一个受镰刀菌显著诱导的小麦受体激酶家族。其中，TraesCS3D02G276200（TaFIPR-D）在拟南芥和烟草系统中能够识别TaFIP1小肽并激活MAPK信号（图5a）。TaFIPR-D是一个典型的富含亮氨酸重复序列受体激酶（LRR-RK），定位于质膜，并具有自磷酸化活性（图5b-f）。

随后的生物化学实验（包括SPR、Pull-down、BiFC和Split-luciferase等）一致证实，TaFIPR的胞外结构域能以较高的亲和力直接结合TaFIP小肽（图6）。TaFIPR对TaFIPs的识别表现出特异性，不结合其他已知的植物肽（如PEP1）。

TaFIPR是小麦抗镰刀菌所必需的受体

通过CRISPR/Cas9技术敲除TaFIPR基因后，小麦对TaFIPs介导的信号响应完全消失，表现为无法激活MAPK和积累ROS，且抗病性显著下降（图7a-f）。与之相反，在小麦中过表达TaFIPR能够增强免疫信号响应并提高对镰刀菌的抗性。

研究还发现，TaFIPs与TaFIPR之间存在一种正反馈调节：TaFIPs的处理能诱导其自身基因及TaFIPR基因的表达。这种“肽-受体”模块的协同上调，可能在植物受到感染时起到放大免疫信号的作用。

全文总结与展望

本研究揭示了一个全新的小麦植物细胞因子-受体模块及其表观遗传调控机制。研究结论如下：

1. 发现新功能肽： 鉴定了小麦中受病害诱导的TaFIP小肽簇。

2. 表观遗传机制： TaFIP基因受H3K4me3和H3K27me3双价组蛋白修饰调控，这种机制既保证了其在正常状态下的沉默，又能在感病后迅速开启转录（图7h）。

3. 受体识别： 证实TaFIPR是TaFIPs的特异性受体，介导了下游防御反应的激活。

4. 生物学意义： 该模块在不显著牺牲生长的前提下增强了小麦的基部抗性。

本研究不仅扩展了对单子叶植物细胞因子调控网络的理解，也为通过基因编辑手段培育抗病小麦新品种提供了潜在的靶点。未来研究可进一步探索小麦如何感应镰刀菌及其毒素信号，进而引发TaFIP座位的染色质重塑。

该研究由浙江大学植物保护学院马忠华教授团队和刘尊勇教授团队完成。论文的第一作者为浙江大学的Zunyong Liu、Xin Chen和Zishu Xu。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目、浙江省自然科学基金等项目的资助。

DOI链接：https://doi.org/10.1038/s41477-026-02333-5

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

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