植物水杨酸信号和合成通路的起源和进化机制

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Keke Yi

2022年12月6日，Molecular Plant在线发表了中国农业科学院农业资源与农业区划研究所易可可团队的论文“The origin and evolution of salicylic acid signaling and biosynthesis in plants”。揭示了绿色植物中水杨酸信号和合成通路的起源和进化过程，以及陆地化过程中水杨酸的重要作用，为研究水杨酸在植物应对土壤生物/非生物逆境中的重要作用提供了基础。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.12.002

植物激素水杨酸（Salicylic acid，SA)，即邻羟基苯甲酸，在植物应对陆地环境中多种多样的生物和非生物胁迫过程中起至关重要作用。近年来，在水杨酸合成调控、信号通路等方面取得了一系列重要成果。NPR蛋白是SA的核心受体，通过和转录因子TGA相互作用，共同调控下游SA响应蛋白的表达。而NPR的两类同源蛋白，NPR1和NPR3/4行使相反的功能，NPR1激活下游基因的表达，而NPR3/4起到抑制作用。前期研究发现，植物中存在两条水杨酸合成途径：异分支酸合成酶（Isochorismate Synthase，ICS）途径和基于β-氧化的合成途径。然而，关于植物SA信号和合成中关键蛋白的起源和进化过程，以及SA是否普遍存在于绿色植物中及其在陆地化过程中的作用仍有很多未知。

该研究对植物中水杨酸信号通路的关键蛋白进行起源和进化分析后，发现SA信号的核心调控模块NPR-TGA的两类蛋白分别起源于不同时间节点。核心受体NPR蛋白起源于陆生植物的共同祖先，而TGA蛋白起源于链型植物的共同祖先中。蛋白互作实验发现NPR-TGA模块的互作机制存在于早期分化的陆地植物地钱中，表明这一SA信号调控模块的保守性。同时发现地钱中唯一的NPR蛋白的功能同NPR1类似，起到激活下游SA响应基因表达的作用。以上结果表明，当NPR-TGA模块第一次在陆地植物中组装时，NPR-TGA的相互作用已经形成。接着，种子植物在进化过程中发生了NPR功能的分化，从而形成了复杂的SA信号调控网络以应对复杂多变的陆地环境。

随后，通过对不同来源的单细胞和多细胞绿藻以及链型藻的SA含量进行测定，发现以上藻类中均含有一定含量的SA，表明SA广泛存在于绿色植物谱系中。分析发现，尽管ICS蛋白起源于绿色植物的共同祖先中，但是传统的ICS路径首次在陆生植物的共同祖先中完成组装，而另一条β-氧化依赖的SA合成途径的核心过程——基于AIM1的β-氧化，起源于绿色植物的共同祖先中。通过模式绿藻衣藻的突变体分析发现，基于AIM1的β-氧化而不是ICS蛋白在绿藻中SA的合成中发挥关键过程。此外，研究表明广泛存在于绿色植物中的SA对于绿色植物陆地化过程中适应复杂的土壤和高光强环境至关重要。

绿色植物中水杨酸信号和合成通路的起源与进化示意图

综上，该研究不仅系统地揭示了绿色植物中水杨酸信号和合成通路的起源与进化过程，同时发现基于AIM1的β氧化通路作为古老的SA合成通路参与绿藻中水杨酸的合成。此外，绿色植物中广泛存在的水杨酸对于绿色植物登陆后适应复杂的陆地土壤和高光强环境有着重要作用。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所贾贤卿博士后和王龙博士后为论文共同第一作者，易可可研究员和徐磊副研究员为论文的共同通讯作者。该所赵红玉，张毅博和普渡大学陈志祥教授也参与了部分工作。相关工作得到了国家重点研发专项课题（2021YFF1000404）、国家自然科学基金重点项目（32130096）、中国农业科学院青年创新专项（No. Y2022QC14）及中国农科院创新工程等经费资助。

易可可实验室网站：https://yilab.life

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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