植物免疫反应中MAPK级联信号对吲哚硫代葡萄糖苷合成的调控及分子机制

Plant secondary metabolites represented by indole glucosinolates (IGs) in Brassicaceae species play pivotal roles in plant disease resistance. At present, the core biosynthetic pathway of IGs is well understood. However, the signaling components/pathways involved in regulating the biosynthesis of IGs are mostly unknown, which is a major gap in our understanding of the chemical defense of plants against pathogens. Recently, we discovered that MPK3/MPK6, two pathogen-responsive mitogen-activated protein kinases (MAPKs), play essential roles in regulating the biosynthesis of IGs. Upon Botrytis cinerea inoculation or activation of MPK3/MPK6, the expression of IGs biosynthetic genes is highly induced and a shift of metabolic flux to the synthesis of a specific group of IGs is observed. In this project, we are going to study the mechanism underlying the function of MPK3/MPK6 cascades in signaling the biosynthesis of IGs in response to pathogen infection. The specific goals are, 1) to determine the specific indole glucosinolate(s) regulated by MPK3/MPK6 cascades; 2) to identify the transcription factors downstream of MPK3/MPK6 in activating the expression of secondary transcription factors and genes in the IGs biosynthetic pathway using a combinatory approach; and 3) to identify the MAPKKK(s) and MAPKK(s) upstream MPK3/MPK6 in regulating IGs biosynthesis. The identification of a complete MAPK cascade in regulating the biosynthesis of IGs in plant immunity will provide us new venues to engineer crops with enhanced disease resistance.

以十字花科植物吲哚硫代葡萄糖苷(吲哚硫苷)为代表的植物次生代谢物质在植物抗病过程中发挥着至关重要的作用。目前吲哚硫苷的合成途径已经得到较清晰阐明，但其合成调控机理还远不清楚。我们初步研究结果表明拟南芥中MPK3/MPK6级联信号途径是植物抗病过程中调控吲哚硫苷的合成的重要信号通路。病原菌侵染激活MPK3/MPK6途径后诱导吲哚硫苷合成途径基因的表达，从而改变了吲哚硫苷合成动态。在此基础上，本项目拟对拟南芥MPK3/MPK6级联信号途径调控吲哚硫苷合成做进一步深入研究，鉴定其主要调控的吲哚硫苷种类，分离MPK3/MPK6下游调控吲哚硫苷合成的转录因子，并鉴定其所调控的次生代谢物合成关键基因，同时鉴定该通路上游的MAPKKK(s)和MAPKK(s)。研究旨在全面揭示在植物免疫过程中一条完整的MAPK级联信号途径对具有重要抗菌活性的吲哚硫苷合成的调控机制，为农作物抗病分子育种提供理论依据。

以十字花科植物吲哚硫苷为代表的植物次生代谢物质在植物抗病过程中发挥着重要的作用。吲哚硫苷的合成途径已经得到较清晰阐明，但其合成调控机理还远不清楚。本项目旨在全面揭示植物免疫反应中具有重要抗菌活性的吲哚硫苷的合成调控机制，为农作物抗病分子育种提供理论依据。在本项目支持下，我们对MPK3/MPK6级联信号途径在吲哚硫苷合成途径中的功能及调控机制进行了系统研究。拟南芥中吲哚硫苷以吲哚-3-甲基硫苷(indol-3-ylmethyl GS, I3G)和由其衍生的4-羟基-吲哚-3-甲基硫苷(4MI3G)为主。病原菌侵染可以使植物体内积累4MI3G，其在非典型硫苷水解酶PEN2作用下产生具有广谱抗真菌的代谢物。我们对MPK3/MPK6参与调控的植物抗病过程中各吲哚硫苷成分进行了系统分离及鉴定，发现在植物受到真菌Botrytis侵染激活MPK3/MPK6通路之后，吲哚硫苷的合成发生了显著的从I3G到4MI3G的动态变化。利用条件mpk3 mpk6双突变体，我们发现这一过程完全依赖于MPK3/MPK6信号途径。MKK4/MKK5位于MPK3/MPK6上游参与了吲哚硫苷的合成。我们鉴定了该途径下游关键转录因子，EFR6，并阐明了ERF6调控吲哚硫苷合成的机制。ERF6可以特异结合在I3G到4MI3G转化的关键基因的启动子上调控它们的表达。此外，我们还发现了CPK5/CPK6信号通路与MPK3/MPK6通路在植物抗病过程中对上述次生代谢物质的协同调控作用。上述研究结果深入揭示了具有抗病活性的重要植物次生代谢物质的合成调控信号通路及机制。吲哚硫苷及其衍生物在植物抗病过程中的重要性越来越广泛受到关注，已成为近年研究的热点，该研究对理解MPK3/MPK6 级联调控植物抗真菌侵染的机制以及吲哚硫苷的合成调控机制均有重要的理论贡献。在本项目支持下，共发表SCI论文6篇。