蛋白质多聚腺苷酸核糖化修饰(PARylation)调控植物先天性免疫系统的分子机理

The mechanism of plant innate immunity is the foundation for engineering crops for broad-spectrum durable disease resistance. Post-translational protein modification plays critical role in the signal transduction of plant innate immunity. Recent studies suggested that protein poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) has a significant functions in plant immune signal transduction, especially the transcriptional regulation of immune genes. This biochemical mechanism has been adapted by pathogens as important weapon for pathogenesis. The research in the applicant’s group found that PARylation is stimulated by flagellin, a microbe associated molecular pattern (MAMP), and globally regulated immune gene transcription, possibly through chromatin remodeling. By using protein microarray, the applicant identified the first set of substrate proteins of PARylation from Arabidopsis, and identified the role for DAWDLE PARylation in disease resistance. The proposed research will screen for new interacting and substrate proteins of PARP2, study the mechanism of how PARylation is activated by immune signals and regulate downstream molecular events including chromatin remodeling. The study will shed light on the molecular mechanism of the regulation of plant innate immunity by PARylation, identify novel proteins involved in immunity, and provide new strategy and theory support to molecular breeding of disease resistance.

植物先天免疫的分子机理是工程改造作物以实现广谱持久抗病性的理论依据，而蛋白在翻译后修饰在植物天然免疫的信号转导过程中起着关键作用。近期研究表明，蛋白质多聚腺苷核糖化修饰(PARylation)在植物免疫信号转导，尤其是免疫相关基因转录调控过程中，有重要作用；此生化机制也是病原调节宿主蛋白的重要致病武器。申请人的研究表明，在拟南芥中，PARylation 反应受到病原分子模式如鞭毛蛋白flagellin激活，并大规模调节免疫基因的转录，很可能通过染色体重塑控制转录。应用蛋白质芯片技术，申请人从拟南芥中鉴定了第一批受PARylation修饰的植物蛋白，并分析了其中FHA结构域蛋白DAWDLE的PARylation对植物抗病的重要功能。本项目将在以有工作基础上筛选PARP2的互作蛋白以及更多底物蛋白，探索免疫信号激活PARylaion并调控染色体重塑等下游分子事件的机制。

植物先天免疫系统是植物防御微生物病害侵染的基础，其中蛋白质多聚腺苷核糖化修饰(PARylation)具有重要调控作用。为了深入揭示其分子机制， 本项目组开展了PARylation底物鉴定、 生物检测器（Biosensor）开发、候选底物的免疫功能与分子机制鉴定等方面的研究工作。通过亲和纯化质谱鉴定以及酵母双杂交筛选等多种方法， 鉴定到一批候选底物蛋白， 并建立了在植物细胞中实时检测PARylation动态定位的检测器，并用此方法确定了候选蛋白在植物中的修饰变化。 ..项目组对底物的免疫功能研究发现了PARylation相关蛋白在转录调控、mRNA代谢以及翻译抑制方面的重要功能。通过筛选PARP2互作蛋白，发现了与PAR结合的 AT-hook结构域转录因子AHL13， 具有负调控拟南芥免疫的功能， 转录组分析揭示了受AHL13调控的下游基因， EMSA实验证明AHL13直接结合靶基因启动子区的富含AT目的DNA序列， 并发现PAR可与目的序列竞争结合AHL13的新型转录调控机制；细菌效应因子如hopK1可靶向AHL13作为致病机制， 这意味着AHL13也是感病基因， 对其进行改造可潜在创造新的抗性。 另外， 项目组还发现PARylaion可以通过影响DRH1解旋酶活性而调节免疫反应；在研究中发现的锌指蛋白SZF1与翻译起始因子eIF3G1， 也具有PARylation修饰，并参与抗病反应，揭示了PARylation与翻译调控的关系。 ..项目组对水稻中PARylation的抗病功能也进行了探索。发现水稻中存在PARylation的关键酶， 通过生化细胞实验和异源功能互补等证明这些关键酶具有预期的生化活性， 且具有生物功能保守性， 同时也表现出比双子叶植物中同源蛋白更高的活性。 通过CRISPR-Cas9构建的水稻PARylation关键酶突变体表现对稻瘟病、白叶枯以及南方黑条矮缩病毒病的感病性。. .本项目的研究对植物中PARylation的生物学功能和分子机制进行了多种探索。课题组为鉴定修饰底物而建立的亲和纯化系统以及检测其动态定位的生物检测器， 也为其他植物中相关研究提供了有力的技术方法。 对候选底物的抗病功能研究， 揭示了PARylation调控植物基因转录、翻译以及mRNA代谢等过程的分子机制， 加深了对植物先天免疫系统的认识，可用于工程改造植物抗病。