Plant Physiol | 为MAPK信号“踩刹车”——南京农业大学揭示AP2C磷酸酶维持植物MAPK信号稳态的新机制

植物生长发育与抗病抗逆的协同调控是作物遗传改良的核心科学问题。丝裂原蛋白活化激酶（Mitogen-activated Protein Kinase, MAPK）信号转导途径作为真核生物保守的信号途径，通过逐级磷酸化放大病原物识别信号，激活多种免疫应答反应；然而 MAPK 级联持续性激活也会引发类似 Hypersensitive Response (HR）反应的细胞死亡，暗示了 MAPK 级联的负反馈调控对维持细胞稳态具有关键作用（Zhang and Zhang, 2022）。解析 MAPK 去磷酸化机制，不仅可以完善植物免疫调控网络的理论框架，更为突破作物抗病性与产量性状的矛盾提供了新思路。

近日，南京农业大学张梦梦/张舒群课题组在Plant Physiology在线发表了题为Arabidopsis PP2C clade B members are negative feedback regulators of MPK3/MPK6 MAPK cascade in plant immunity and development的研究论文，揭示了属于PP2C蛋白磷酸酶家族的AP2C1/2/3/4作为MAPK磷酸酶发挥作用，共同形成一个负反馈调控环路，精细调节MPK3/MPK6级联的信号强度和持续时间，最终平衡植物的免疫与发育的一种新机制。

该研究发现，PP2C B组四个 AP2C 成员存在功能冗余。单突均无明显表型，而四重突变体(ap2c1/2/3/4)则导致 MPK3/MPK6 激活增强，并在病原体感染时加速细胞死亡。在 ap2c1/2/3/4 四重突变体背景下进一步敲除 MPK6 的结果证实了 MPK6 是 AP2C 调控 HR 细胞死亡的关键靶标（图1）。

图1. ap2c1/2/3/4四突中增强的HR细胞死亡依赖MPK6

研究进一步揭示了MPK3/MPK6与 CPK5/CPK6通路协同调控AP2C家族基因的转录激活。在PAMP 处理或病原体感染时，这两条通路共同作用于其下游底物 WRKY33，后者通过结合AP2C2和AP2C3启动子中富含的W-box元件，激活AP2C 的表达。此外，四个AP2C成员的基础表达水平和诱导强度存在差异。在条件性功能获得的MAPK激活系统中或响应PAMP/病原体感染时，AP2Cs表现出差异性的诱导模式。一旦MAPK激活，它们又功能冗余地对MPK3/MPK6去磷酸化，形成负反馈调控。这种短期的AP2C诱导具有双重生物学意义：一方面能及时抑制MAPK过度激活，以防止过度激活MAPK造成细胞死亡；另一方面能避免长期的信号脱敏，确保MAPK模块能够在植物生长发育和免疫防御等多种生物学过程中被反复调用（图2）。

图2. 通过AP2C磷酸酶在植物免疫和发育中微调MAPK信号级联的负反馈回路

值得注意的是，Wang等先前发表在Molecular Plant上的研究报道，WRKY18/40/60也参与了flg22诱导的AP2C1/3激活过程（Wang et al., 2023）。那么，WRKY18是否与WRKY33协同调控AP2C的转录激活？为回答这一问题，本研究利用双荧光素酶报告系统（Dual-LUC）和嵌合抑制子沉默技术（WRKY-EAR），系统检测了 WRKY18 对 AP2C1/3 的转录调控能力。结果表明， WRKY18并非调控AP2C1/3的关键转录因子，提示在该调控通路中 WRKY33 扮演着不可替代的角色（图3）。Wang等还指出，wrky18/40/60突变体中Pst-AvrRpt2诱导的免疫标记基因PR1表达量降低，显示WRKY18/40/60为免疫反应的正调控因子。然而，这一结论与此前 WRKY18/40/60作为免疫反应的负调控因子的报道（Xu et al., 2006）相悖。

图3. WRKY33是MPK3/MPK6调控AP2C的关键转录因子，而非WRKY18

南京农业大学植物保护学院在读博士生邱琴和已毕业博士生李必馨为共同第一作者，张舒群教授和张梦梦副教授为通讯作者。浙江大学徐娟教授和上海师范大学孟祥宗教授对本研究提供了重要帮助。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本业务费及农林生物安全国家重点实验室项目的资助。

参考文献：

1. Zhang M and Zhang S (2022). Mitogen‐activated protein kinase cascades in plant signaling[J]. Journal of Integrative Plant Biology, 64(2):301-41.

2. Wang D, Wei L, et al. (2023). Suppression of ETI by PTI priming to balance plant growth and defense through an MPK3/MPK6-WRKYs-PP2Cs module[J]. Molecular Plant, 16(5):903-18.

3. Xu X, Chen C, et al. (2006). Physical and Functional Interactions between Pathogen-Induced Arabidopsis WRKY18, WRKY40, and WRKY60 Transcription Factors[J]. Plant Cell, 18(5):1310-26.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag458