项目文章 | PCE：上海农科院作物所发现 OsSCYL2 在水稻先天免疫调节中的作用机制

近日，上海市农业科学院作物育种栽培研究所储黄伟副研究员、曹黎明研究员为共同通讯作者，在 Plant, Cell & Environment 杂志（IF: 7.228）在线发表了题为“A conserved clathrin-coated vesicle component, OsSCYL2, regulates plant innate immunity in rice”的研究论文，报道了水稻中一个被网格蛋白包被囊泡的一个重要组分 OsSCYL2 调控水稻先天免疫的分子机制。

上海市农业科学院作物所硕士研究生姚瑶和周继华助理研究员为该论文的共同第一作者。文章中酵母双杂交实验由欧易生物完成。

网格蛋白介导的囊泡运输 (CMVT) 是真核生物中进化保守的细胞内物质运输途径，对生物的生长发育至关重要。近年来，有人认为 CMVT 在植物免疫调节中也发挥着重要作用，但具体的分子机制仍不清楚。SCY1-LIKE2 (SCYL2) 是真核生物中进化保守的蛋白激酶。SCYL2 在拟南芥中的功能缺失会导致严重的生长缺陷。但 SCYL2 是否参与植物免疫尚未见报道。

本研究表明，水稻 OsSCYL2 的突变产生了一种新的表型——超敏反应样 (hypersensitive response-like, HR) 细胞死亡，并依赖于光。虽然 OsSCYL2 突变体在光合系统方面表现出额外的缺陷，但它们对病原菌的抗性增强。亚细胞定位显示 OsSCYL2 定位于高尔基体、反式高尔基网络和液泡前体。OsSCYL2 与 OsSPL28 相互作用，OsSPL28 是网格蛋白相关的接头蛋白亚基，已知该蛋白调节水稻 HR 细胞死亡。进一步研究证实 OsSCYL2-OsSPL28 的相互作用是由 OsCHC1 介导的。本研究鉴定了 CMVT 通路中调控植物免疫的一个新组分，为实现作物高产和增强抗性提供了新的育种靶点。

1. 水稻新类病斑突变体 scyl2

首先，通过图位克隆的方式定位了水稻 scyl2-1 突变体的基因：OsSCYL2 (LOC_Os01g42950)。遗传分析显示，scyl2-1 突变体是 OsSCYL2 单基因控制的隐性突变体。与野生型相比，scyl2-1 突变体表现出明显的叶片损伤，台盼蓝染色显示 scyl2-1 突变体叶片中发生依赖于光照的类似超敏反应 (hypersensitive response-like, HR) 的细胞死亡，并且叶片中出现活性氧积累、叶片叶绿体的形态和活性也出现缺陷。

图 1 | scyl2-1 突变体表型

在 scyl2-1 突变体转入 OsCYL2 基因全长可以恢复表型；在野生型中利用 CRISPR/Cas9 敲除 OsSCYL2 后，表型与 scyl2-1 突变体一致。以上结果表明，scyl2-1 突变体是水稻中一个新的类病斑突变体（lesion mimic mutants, LMM），又称斑点叶突变体，该类突变体被广泛用于研究植物生长与免疫的关系。

2. Scyl2-1 突变体对病原菌抗性增强

用 3 种病原菌侵染植株以检测抗菌能力。与野生型相比，scyl2-1 突变体对 3 种菌株都表现出显著的抗性增强（图 a-b）。抗性增强往往与免疫通路活化有关，因此通过 RT-PCR 对 SA- 和 JA- 信号通路基因进行了检测。结果显示，SA-通路中 4 个基因、JA-通路中 3 个基因在 scyl2-1 突变体中表达显著上调（图 c）。

以上结果表明 OsSCYL2 基因在平衡植物生长发育和免疫中起着关键作用。

图 2 | Scyl2-1 突变体对病原菌抗性增强

3. OsSCYL2 可能通过 OsCHC1 与 OsSPL28 互作

亚细胞定位显示，OsSCYL2 主要分布于高尔基体、反式高尔基网络 (TGN) 和液泡前体 (PVC) 中。在拟南芥中，SCYL2 与网格蛋白包被的囊泡组分（如 CHC1、VAT11、VAT12 等）相互作用。酵母双杂交和 BiFC 实验证实，水稻中 OsSCYL2 也可以与 OsCHC1、OsVAT11、OsVAT12 相互作用。已有研究表明，网格蛋白相关的接头蛋白亚基 OsSPL28 与水稻的 CMVT 和细胞死亡直接相关，OsSPL28 基因突变同样会导致叶绿体异常、抗病能力增强。

BiFC 实验证实 OsSCYL2 与 OsSPL28 存在相互作用，但酵母双杂交实验显示两者之间不存在直接的结合。酵母双杂交实验显示 OsSPL28 与 OsCHC1 存在直接的结合。因此推测，OsSCYL2 与 OsSPL28 之间的相互作用是间接的，网格蛋白 OsCHC1 为两者之间的相互作用提供了一个锚点，共同组成一个功能模块以调节水稻的免疫功能。

图 3 | OsSCYL2 通过 OsCHC1 与 OsSPL28 互作

4. 通过 RNA-seq 探究 OsSCYL2 调控水稻免疫的机制

对 scyl2-1 突变体和野生型植株叶片进行 RNA-seq，共鉴定到 48 个下调和 170 个上调的差异表达基因。差异基因的富集分析显示，“细胞质膜边界小泡”是最为显著富集的 GO 条目，提示 OsSCYL2 可能参与小泡运输途径。“氧化还原酶活性”和“次级代谢过程”同样富集最为显著，与 scyl2 突变体重 ROS 积累、抗病能力增强的表型一致。

本研究提出了水稻中一个平衡生长和免疫反应，由 OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 组成的功能模块。在正常生长条件下，OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 介导的 CMVT 可能起着保持防御反应处于休眠状态的阀门作用。OsSCYL2 或 OsSPL28 的突变导致光合活性降低、叶绿体损伤和 ROS 过度积累。叶绿体来源的 ROS 可能是触发防御反应的关键。OsSCYL2-OsCHC1-OsSPL28 介导的 CMVT 与叶绿体完整性之间的分子联系仍有待进一步阐明。

https://doi.org/10.1111/pce.14240

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郑小辫儿  撰文

本文系欧易生物原创

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