在植物的生长过程中，病原微生物（如细菌、真菌、卵菌等）导致的病害严重影响植物的正常生长和重要作物的产量，是现代农业的一大危害。植物病害的发生是由宿主、病原微生物和环境三者之间的关系决定的。长期以来，高空气湿度（常见于雨后）是许多田间作物病害发生的重要环境因素之一。例如，连绵阴雨气候或南方的梅雨季节等会造成田间许多植物病害（如水稻的稻瘟病、小麦的赤霉病、辣椒的青枯病和番茄的细菌性斑点病等）的爆发(De Wolf & Isard, 2007, Abrahamian et al., 2021)。此外，农业大棚等生态系统以及水果、蔬菜等产后存储过程也常常伴随着高湿度的出现，促进很多植物病害的发生。然而高湿度如何促进植物病害形成，这背后的机制研究还刚起步。之前的研究发现，病原细菌利用高湿度环境在植物叶片的细胞间隙空间（病原菌繁殖的部位）诱导一种“液态水环境”而促进病原菌繁殖 (Xin et al., 2016, Hu et al., 2022)。然而，高空气湿度是否以及如何影响植物免疫状态从而促进植物病害发生还很不清楚。
水杨酸（Salicylic acid, SA）是一类重要的植物抗病激素。病原菌侵染过程会诱导植物体内SA合成，SA被受体蛋白（如NPR1、NPR3/4）所识别，进而激活下游SA响应基因（PR1等）的表达 (Zhang & Li, 2019)。其中NPR1（Nonexpressor of Pathogenesis-Related gene 1）蛋白既是SA受体之一，也是SA信号传导的转录共激活因子，在SA信号传导过程中发挥关键作用（图1）。近几年对NPR1蛋白的研究表明NPR1蛋白的翻译后修饰（磷酸化、SUMO化和泛素化等）对其发挥功能和保持蛋白稳定性起着重要的作用 (Saleh et al., 2015, Skelly et al., 2019)。
图1：水杨酸的信号转导途径
2023年9月20日，国际著名学术期刊The EMBO Journal杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究员团队题为“High air humidity dampens salicylic acid pathway and NPR1 function to promote plant disease”的研究论文。该研究揭示了高空气湿度抑制植物防御途径的新机制，为长期观察到的空气湿度对病害的影响提供了新见解。
该研究发现，高空气湿度相比较低湿度会诱发植物的一系列生理反应，高湿度条件下接种丁香假单胞菌后植物更感病，且植物防御基因表达也受到高湿度的影响（图2）。
图2：高空气湿度促进细菌病害和影响植物防御基因的表达
通过研究高空气湿度对植物不同免疫信号通路（包括PTI通路、茉莉酸通路和水杨酸通路）的影响，发现高湿度下植物体内水杨酸的积累和信号传导受到抑制（图3）。
图3：高湿度下植物体内水杨酸的积累和信号传导受到抑制
进一步对高湿度下水杨酸信号传导通路各组分的研究，发现高湿度条件下NPR1蛋白的泛素化程度降低，并且与靶基因启动子的结合亲和力也减弱，表明在高空气湿度下NPR1蛋白呈现“低活性”状态（图4）。早期研究发现NPR1蛋白的泛素化与Cullin3蛋白介导的Cullin-RING E3泛素连接酶相关 (Spoel et al., 2009)。有意思的是，在研究过程中，作者发现高湿度下，植物细胞整体泛素化水平显著下降，并且低空气湿度下，拟南芥cul3a/b突变体植物表现出了类似高空气湿度下观察到的低NPR1蛋白泛素化水平、低SA基因表达和更加感病的表型。
图4：高湿度条件下NPR1蛋白的泛素化水平下调且其结合下游基因启动子的活性也减弱
基于研究结果，作者提出了一个高空气湿度条件抑制拟南芥SA免疫反应的模型图（图5）。在较低湿度条件下，SA在病原体感染后迅速产生并被SA受体（包括NPR1）感知，激活SA信号通路，诱导SA响应基因（PR1等）的表达，同时也促进SA的合成，形成正反馈回路。NPR1蛋白被“E1-E2-基于Cullin3（CUL3）的E3泛素连接酶”途径发生泛素化，这种泛素化对于NPR1蛋白募集到染色质和激活SA响应基因表达是必不可少的。泛素化后的NPR1蛋白还被26S蛋白酶体识别并发生降解。高湿度条件下，包括E1和Cullin3在内的细胞泛素化途径被抑制。因此，NPR1蛋白泛素化程度较低，无法高效结合靶基因（PR1）的启动子区，从而使靶基因的表达降低。这种“低活性”的NPR1蛋白会引起SA免疫反应的缺陷，最终导致植物在高湿度下呈现易感病的表型。此外，NPR1蛋白泛素化的减少还会引起其降解速率减慢，导致NPR1蛋白在细胞核中过度积累，有可能阻碍NPR1的功能并抑制SA响应基因的转录。
图5: 高湿度抑制E1-E2-E3 泛素化级联通路（尤其是Cullin3），抑制NPR1蛋白转录共激活子的活性，从而影响植物免疫
中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究组姚玲娅助理研究员和已毕业学生江泽宇博士为该论文的共同第一作者，辛秀芳研究员为通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究组王易平博士后、胡叶舟博士后、郝国栋博士生、钟蔚丽实验师、万诗伟博士后参与了研究工作。该研究得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室、上海市基础研究特区计划、中国科学院先导研究计划和国家自然科学基金等的支持。
图文来源： 中国科学院分子植物卓越中心公众号
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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