水稻转录因子BHLH25通过感知H2O2赋予多种疾病抗性

植物学 免疫学 生命科学 细胞生物学
转录因子 H2O2 疾病抗性 木质素生物合成 植物免疫

学术背景

植物在面对病原体入侵时，会启动一系列复杂的防御机制。其中，活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）在植物免疫反应中扮演着重要角色。过氧化氢（H₂O₂）作为ROS的主要成分，被认为是植物免疫反应的关键信号分子。然而，H₂O₂如何在植物细胞内被感知并转化为防御信号，尤其是转录因子如何直接感知H₂O₂并调控基因表达，仍然是一个未解之谜。

此前的研究表明，H₂O₂可以通过氧化蛋白质中的半胱氨酸（Cysteine）和甲硫氨酸（Methionine）残基来调节蛋白质功能。然而，关于转录因子如何直接感知H₂O₂并调控植物免疫反应的机制尚不清楚。本研究旨在揭示水稻中的转录因子BHLH25如何通过感知H₂O₂来调控植物的多重抗病性，并探讨这一机制在植物界中的普遍性。

论文来源

该研究由Haicheng Liao、Yu Fang、Junjie Yin等来自四川农业大学、斯洛伐克兹沃伦技术大学、日本帝京大学等多个研究机构的科学家共同完成。论文于2025年1月14日在线发表在Cell Research期刊上，题为《Rice transcription factor BHLH25 confers resistance to multiple diseases by sensing H₂O₂》。

研究流程与结果

1. H₂O₂通过OsLAC7/28/29介导的木质素生物合成促进植物免疫

研究首先通过外源H₂O₂处理水稻根系，发现H₂O₂显著增强了水稻对稻瘟病菌（*Magnaporthe oryzae*）的抗性。通过RNA测序分析，研究人员鉴定出1596个受H₂O₂上调的基因，其中与细胞壁生物合成相关的基因尤为显著。进一步分析发现，三个木质素生物合成基因（OsLAC7、OsLAC28和OsLAC29）的表达在H₂O₂处理后显著上调。

通过基因敲除（KO）和过表达（OE）实验，研究人员证实了OsLAC7/28/29在木质素生物合成和抗病性中的重要作用。三重敲除植株（OsLAC7/28/29-KO）表现出显著降低的木质素含量和抗病性，而过表达植株则表现出更高的木质素含量和更强的抗病性。此外，H₂O₂诱导的抗病性在OsLAC7/28/29-KO植株中显著减弱，表明H₂O₂通过OsLAC7/28/29介导的木质素生物合成来增强植物免疫。

2. OsLAC7/28/29受miR397b的靶向调控

研究人员进一步发现，OsLAC7/28/29的表达受miR397b的调控。通过酵母单杂交筛选和DNA亲和纯化实验，研究人员鉴定出转录因子BHLH25能够直接结合miR397b的启动子，并抑制其表达。BHLH25的过表达显著降低了miR397b的表达水平，从而提高了OsLAC7/28/29的表达。相反，BHLH25的敲除则导致miR397b表达增加，OsLAC7/28/29表达下降。

3. BHLH25通过miR397b调控木质素生物合成和抗病性

BHLH25的过表达显著增强了水稻的木质素生物合成和抗病性，而敲除BHLH25则导致木质素含量降低和抗病性减弱。此外，miR397b的敲除显著增强了木质素含量和抗病性，而过表达miR397b则表现出相反的效果。这些结果表明，BHLH25通过抑制miR397b的表达来促进木质素生物合成，从而增强植物的抗病性。

4. BHLH25通过CPS2介导的植保素生物合成增强抗病性

除了调控木质素生物合成，BHLH25还通过促进植保素（phytoalexin）生物合成基因CPS2的表达来增强抗病性。BHLH25直接结合CPS2的启动子，并促进其表达。BHLH25的过表达显著提高了植保素C的含量，而敲除BHLH25则导致植保素C含量显著降低。此外，CPS2的过表达显著增强了水稻的抗病性，而敲除CPS2则表现出相反的效果。

5. BHLH25通过M256的氧化状态变化调控防御反应

研究人员发现，BHLH25在病原体入侵时被H₂O₂氧化，尤其是在甲硫氨酸256（M256）位点。氧化后的BHLH25更倾向于结合miR397b的启动子，从而抑制miR397b的表达，促进木质素生物合成。随着木质素生物合成的进行，H₂O₂被消耗，BHLH25的氧化状态逐渐恢复，从而促进CPS2的表达，增强植保素生物合成。

通过基因突变实验，研究人员发现，将M256突变为缬氨酸（Valine）后，BHLH25失去了结合miR397b和CPS2启动子的能力，无法调控木质素和植保素生物合成，导致抗病性显著降低。这表明M256是BHLH25感知H₂O₂并调控防御反应的关键位点。

6. BHLH25在植物界的广泛保守性

研究人员进一步分析了110种植物基因组中的BHLH25同源基因，发现M256样甲硫氨酸残基在这些同源基因中高度保守。此外，拟南芥中的BHLH25同源蛋白（AtBHLH25）也表现出类似的H₂O₂感知机制，表明这一机制在植物界中广泛存在。

结论与意义

本研究揭示了水稻转录因子BHLH25通过感知H₂O₂来调控植物多重抗病性的新机制。BHLH25通过其M256位点的氧化状态变化，分别调控木质素和植保素生物合成，从而增强植物的物理屏障和化学防御能力。这一机制不仅帮助植物有效抵御病原体入侵，还防止了H₂O₂、木质素和植保素的过度积累对植物生长的负面影响。

此外，BHLH25及其同源基因在植物界中的广泛保守性表明，这一机制可能在多种植物中普遍存在，为开发广谱抗病作物提供了新的思路。

研究亮点

  1. 新机制的发现：首次揭示了转录因子BHLH25通过感知H₂O₂来调控植物多重抗病性的机制。
  2. 双重防御途径：BHLH25通过氧化状态变化，分别调控木质素和植保素生物合成，形成双重防御系统。
  3. 关键位点的鉴定：M256位点的氧化是BHLH25感知H₂O₂并调控防御反应的关键。
  4. 广泛保守性：BHLH25及其同源基因在植物界中的广泛保守性，表明这一机制可能在多种植物中普遍存在。

其他有价值的信息

该研究还提供了详细的实验方法和数据分析流程，包括RNA测序、酵母单杂交、DNA亲和纯化、染色质免疫共沉淀（ChIP-qPCR）等，为相关领域的研究人员提供了宝贵的技术参考。此外，研究团队开发了特异性识别氧化M256的抗体，为后续研究BHLH25的氧化状态提供了有力工具。

通过这项研究，我们不仅深入理解了植物免疫反应的分子机制，还为未来开发抗病作物提供了新的理论基础和技术支持。