海洋真菌CPA类代谢物作为IAA拮抗剂诱导植物抗性的研究

Increasing evidences showed that IAA promotes susceptibility of plants to pathogens, and that down-regulation of IAA signaling is part of the plant induced resistance response. We therefore, hypothesized that screening for IAA antagonists is a feasible way to discover leading compounds of plant resistance inducers. In the course of our screening for such metabolites from marine-derived microorganisms, a sponge-associated fungus HMP-F28 was found to produce cyclopiazonic acids (CPAs) which induced the production of reactive oxygen species in tobacco cells, and significantly inhibited the root growth in lettuce seedlings. More importantly, the CPAs share a similar substructure unit with IAA and its antagonist, hypaphorine. It implies that the CPAs may have similar antagonistic actions to hypaphorine by competitive inhibit IAA from binding to its receptors. Accordingly, we predict that, CPAs are potent IAA antagonists and can induce resistance in plants. To test our hypothesis, we propose herein a strategy for finding CPAs by OSMAC (one strain-many compounds) method and LC-MS based targeted metabolites isolation. The resulting CPAs or CPA mimics will be used for test the correlations between their IAA antagonism with induction of plant resistance. This project is significant for discovery of new plant resistance inducers and biorational pesticides for control of plant diseases.

研究表明，IAA(吲哚乙酸)会降低植物抗病性，而阻滞IAA信号系统却能够增强植物的抗病性。我们由此提出了"筛选IAA拮抗剂可作为发现诱导植物抗性先导化合物的新途径"的科学假设。在我们筛选诱导植物抗性海洋微生物代谢产物的过程中，发现了海洋真菌HMP-F28所产生的CPA类代谢物具有抑制植物根系生长、诱导细胞产生活性氧的活性。并且由于它们与IAA及已知IAA拮抗剂hypaphorine具有相似的结构单元，说明CPAs极有可能与hypaphorine具有相似的作用机制，即通过竞争性地抑制IAA与受体的结合而拮抗IAA。故我们推测CPAs具有通过拮抗IAA而诱导植物抗性的作用。为了验证上述假设和推论，我们拟采用OSMAC(单菌株-多产物)策略结合LC-MS追踪的手段靶向分离HMP-F28的CPA类代谢物。在此基础上，通过考察其拮抗IAA活性与诱导抗性之间的相关性来检验我们的假设和推论。

无论内源性或者外源性的IAA(吲哚乙酸)水平增高或者IAA信号途径增强均与植物抗病性降低相关。相反，阻滞IAA信号系统却能够增强植物的抗病性。因此我们提出了“筛选IAA 拮抗剂可作为发现诱导植物抗性先导化合物的新途径”的科学假设。在此基础上，我们推测我们前期发现的海洋真菌HMP-F28的CPA 类代谢物由于其结构特点是潜在的IAA拮抗剂，因而也是潜在的植物抗性诱导剂。为了验证上述假设和推论，根据项目计划，系统地考察了OSMAC策略对与CPA类化合物及其它代谢物的影响，在此基础上分离鉴定了25个代谢物。其中新结构化合物5个，分别为3-hydroxysperadine A、化合物asporyzic acid A、B、C，并首次发现了一个具有7元内酯环的CPA类代谢物capropiazonic acid (CPPA)。此外，通过将底物直接添加法优化为突变生物合成方法，获得了8个非天然CPA化合物的类似物。这两种方法使CPA的化学多样性得到了极大的扩展。在活性试验中，我们发现α-CPA和新型CPA化合物CPPA显示出明显阻断IAA调控的植物向地性，CPA还能够抑制IAA的特异性过氧化酶HRP-C。这写研究结果表明，CPA类化合物具有IAA拮抗活性且其活性优于IAA拮抗剂hypaphorine。尤其值得指出的是，CPA类化合物抑制IAA的同时并不抑制植物的生长。CPA类化合物还能够激活一系列与植物抗性相关的生理反应，包括诱导植物细胞氧爆发及诱导植物细胞发生胞外碱化反应等，其活性甚至优于已商品化的Harpin蛋白和BTH等植物抗性诱导剂。这些研究结果有力地支持了CPA类化合物是一类IAA拮抗剂，并且可通过拮抗IAA诱导植物抗性反应的科学推理。因此本研究从理论上揭示了通过筛选IAA拮抗剂发现植物抗性诱导剂的可行性，为发现植物抗性诱导活性化合物或先导化合物提供了一种新途径。本研究也首次证明了CPA类化合物作为植物诱抗剂的可能性。为开发CPA植物抗性诱导剂新型农药奠定了基础。植物抗性诱导剂由于不作用于有害生物本身，因此毒性为非必要特性。因此为进一步开发绿色环保的新型农药、减少传统有毒农药的使用量，保障食品安全均具有积极的科学意义和良好的应用前景。