拟南芥天生免疫中GPA1调控细菌鞭毛信号转导的分子机制研究

Heterotrimeric G proteins composed of Gα，Gβ and Gγ are pivotal signaling modules in plant and animal cells in response to diverse extracellular stimuli. Gα is the key for heterotrimeric G protein activation. However, it is widely thought that Arabidopsis Ga (GPA1) is not involved in innate immunity. Our preliminary data showed that the gpa1 mutant exhibits multiple immunodeficiencies in response to flg22, an eliciting epitope of bacterial flagellin. By protoplast-based co-IP assays, we uncovered a previously unknown signaling pathway consisting of the flg22 receptor FLS2, co-receptor BAK1, Gα's inhibitor RGS1 and GPA1. This pathway regulates flg22-induced dissociation of the G protein complex from the receptor complex, presumably to avoid flg22-induced co-endocytosis and degradation. GPA1 is able to interact with the NADPH oxidase RbohD, regulating flg22-induced ROS burst in a BIK1-independent manner. Interestingly, flg22-activated Gα retains the interaction with Gβ, challenging the current working model of plant G proteins that Gα and Gβ separate upon activation. Based on these preliminary data, we attempt to further clarify the molecular mechanisms how GPA1 is activated by flg22 and how GPA1 affects the activity of RbohD regarding flg22-induced ROS burst. The proposed work may overturn the dogma that GPA1 is irrelevant to Arabidopsis immunity and reveal a positive regulatory role of Ga on plant immune signaling.

异三聚体G蛋白（Gα，Gβ和Gγ）是动植物细胞响应外界刺激的信号转导中枢。Gα是异三聚体G蛋白激活的关键，但目前主流观点认为拟南芥Gα（GPA1）不参与天生免疫。我们前期研究发现gpa1突变体有诸多响应细菌鞭毛（flg22）的信号转导缺陷。利用原生质体和免疫共沉淀技术，我们发现一条FLS2（鞭毛受体）－BAK1（共受体）－RGS1（Gα抑制蛋白）－GPA1信号转导通路，调控鞭毛诱导下G蛋白从受体复合物的解离，以避免胞吞和降解。GPA1能与RbohD互作，并以BIK1非依赖的方式调控flg22诱导的ROS爆发。有趣的是，flg22激活的Gα保持与Gβ互作，该发现很可能修正现有的植物G蛋白工作模型。本项目拟在确认上述发现的基础上，阐明flg22激活GPA1以及GPA1调控RbohD活性的分子机制。本研究将可能改变GPA1不参与天生免疫的现有观点，并揭示植物Gα正调控天生免疫信号转导的新机制。

异三聚体G蛋白是动植物细胞响应外界刺激的信号转导中枢，其中alpha亚基是控制异三聚体G蛋白激活的关键亚基。目前主流观点认为拟南芥alpha亚基（GPA1）不参与植物天然免疫信号转导，但我们在前期研究中发现gpa1缺失突变体对细菌鞭毛多肽flg22表现出多种免疫应答缺陷。本项目旨在阐明GPA1调控植物天然免疫的新机制。围绕该目标，我们取得了如下研究成果：（1）揭示了GPA1介导flg22信号转导的分子机制：发现GPA1正向调控flg22信号通路；flg22能够激活共受体激酶BAK1对GPA1进行磷酸化，但同时却诱导GPA1的Thr19位点发生去磷酸化，作为对flg22激活GPA1的一种负反馈调控机制，防止GPA1持续被flg22激活；Thr19位点的磷酸化还影响着GPA1与其负调控因子RGS1的解离。该研究首次提供植物体内数据证实了GPA1激活受到双重机制的调控，即类受体激酶（RLK）介导的GPA1磷酸化和RGS1解离调控的GPA1-GTP结合。相关成果发表于植物学权威期刊JIPB（本项目为第一标注）；（2）揭示了细菌flg22通路和真菌chitin通路间的协同调控：发现flg22激活的BAK1能够磷酸化chitin共受体CERK1的近膜区，使CERK1进入对chitin的预警状态，期间能够更快更强转导chitin信号，使植物获得增强的真菌抗性。该研究首次发现植物RLK存在一种介于激活和静息的中间状态，即预警状态，并揭示了蛋白磷酸化介导植物细胞短期免疫记忆的新功能。相关成果发表于免疫学著名期刊Cell Host Microbe（本项目为第一标注），并被Cell Host Microbe专文点评，被Cell发表的植物免疫综述作为近年来植物免疫受体层面的两项重要研究进展之一进行了重点介绍；（3）初步揭示了GPA1介导细菌蛋白酶信号转导的分子机制：我们的前期研究还表明GPA1介导了细菌蛋白酶PrpL触发的植物免疫信号转导；利用重组表达纯化的失活PrpL进行pull down实验，发现拟南芥七次跨膜蛋白MLO2为该蛋白酶的互作蛋白，同时MLO2也能和GPA1发生蛋白互作；然而，通过CRISPR/Cas9技术创制的mlo2 mlo6 mlo12三突变体并未表现出明显的PrpL免疫应答缺陷。该研究数据为后续进一步阐明GPA1介导PrpL信号转导的分子机制奠定了基础。

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