E3泛素连接酶StPUB17及其靶标在马铃薯晚疫病抗病免疫应答中的作用机制

Potato is the fourth most important food crop in China. Late blight caused by Phytophthora infestans is the most devastating disease of potato almost everywhere potatoes are grown. R gene controled resistance is a critical basis for potato against P. infestans. But it can be easily overcome by new virulent strains. It is pivotal to understand resistance mechanisms controlled by R genes for effectively using it. The ubiquitin-proteasome degradation plays essential roles in plant innate immunity. Previously, we found that potato U-box E3 ubiquitin ligase StPUB17, as a positive regulator, plays an important roles in the potato late blight resistance in previous research. In this program, combined with the molecular biology and physiological and biochemical analysis, we will further elucidate the relationship among hypersensitive response (HR), StPUB17 ubiquitin degradation and late blight resistance; determine it's cell locolization, screen and identify interacting proteins and degradation targets of StPUB17 and then construct StPUB17-target protein-interacting protein model and explore the mechanism of how StPUB17 plays it's role in R gene mediated resistance signal pathway. The findings in this project will deepen our understanding of the molecular basis of the plant resistance and provide new strategy to improve resistance using R genes effectively in potatoes for sustaining control of late blight disease.

马铃薯是我国第四大粮食作物，晚疫病是生产中为害最严重的病害。培育抗性品种是防治晚疫病的经济、有效途径。R基因介导的抗性是马铃薯最基本、最重要的抗性，但是R 基因容易被快速变异的病原菌克服，了解R 基因介导的抗病机制是有效利用R 基因的理论基础。泛素降解通路在植物抗病免疫应答中起着至关重要的作用。我们前期研究显示马铃薯U-box E3 泛素连接酶StPUB17参与R基因介导的晚疫病抗性，可能是一个正调控因子。本项目将进一步系统分析StPUB17与R基因介导的 HR 反应及抗性的关系；确定其在细胞中的定位，筛选鉴定与其作用的靶蛋白及调节因子；分析其参与和调控的抗病信号网络，构建StPUB17-靶标底物-互作蛋白模型，阐明StPUB17泛素降解通路在马铃薯晚疫病抗性中的分子机制、揭示R基因抗病信号的传导过程。研究结果将为通过调节抗病信号传导途径和有效利R基因来改良晚疫病抗性提供理论依据和新思路。

马铃薯是世界第四大粮食作物，晚疫病是其最为严重的病害。抗性分子机制对于指导抗病育种具有重要理论价值。泛素降解作为蛋白转录后调控在植物抗病免疫应答中起着十分重要的作用。项目系统研究了马铃薯U-box E3泛素连接酶StPUB17在抗性免疫应答调控中的作用机制。1. 马铃薯或在本烟中超表达PUB17提高晚疫病抗性，抑制表达则导致抗性下降，表明StPUB17是晚疫病抗性正调控因子；2. 干涉PUB17影响番茄叶霉病抗病基因/无毒基因对Cf4/Avr4介导的细胞死亡，但不影响 PAMP INF1、马铃薯晚疫病抗病基因/无毒基因对（R3a/AVR3a，Sto/Ipio和Rvrnt1/AVRvrnt1）诱导的过敏反应，表明其参与特异过敏反应信号传导，预示晚疫病菌中存在未知的效应子引起依赖于PUB17的植物免疫反应；3. 泛素活性和核定位是PUB17发挥免疫调控功能的前提。PUB17的靶标KH17是具有RNA Binding能力的KH-domain蛋白、定位于细胞核中，PUB17能够降解KH17。KH17在马铃薯或本烟中超表达降低晚疫病抗性、同时抑制PTI免疫应答反应，而干涉提高晚疫病抗性。KH17与另外两个KH domain 家族蛋白KH17-2和KH17-3互作，但PUB17只与KH17特异互作。StKH17可能与它们形成蛋白复合体，通过特异识别并调控某些抗病相关基因的表达或通过可变剪接来调控免疫应答，StPUB17特异靶向并降解 StKH17，进而破坏整个复合体的结构来正调控抗性；4. POB1是含有BTB/BACK保守结构域的E3泛素连接酶，POB1在细胞核内与PUB17互作并将其降解。POB1是免疫应答的负调控因子，瞬时表达促进晚疫病菌的扩展，同时抑制 INF1、Cf4/Avr4、番茄抗细菌叶斑病基因/无毒基因对（Pto/AvrPto）、R3a/Avr3a 以及马铃薯抗病毒基因与病毒外壳蛋白（Rx/PVX CP）介导的细胞死亡，表明 POB1 是调控多条免疫应答通路的关键负调控因子；5. POB1可以降解PUB17，PUB17则降解KH17，从而实现一个负调控泛素通过对另一个正调控泛素的降解（POB1-StPUB17-KH17）精细调控植物免疫应答反应。本研究丰富和拓展了泛素系统在植物抗病免疫调控中的认识，为利用泛素系统调控植物抗病性奠定了坚实基础。