谷氨酸受体在谷胱甘肽调节的植物先天免疫反应中的功能研究

谷胱甘肽（GSH）是由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)和甘氨酸(Gly)结合而成的三肽，是细胞内重要的抗氧化剂，也是高等动物中央神经系统中的神经递质。本人从2000年开始研究高等植物拟南芥体内、含有20个成员的谷氨酸受体基因家族（AtGLRs）。2006年发现Glu,Cys,Gly和GSH可以激发植物细胞膜电势快速去极化，这种反应为AtGLR3.3所调控；同时发现这四种物质可以激发植物细胞质内【Ca2+】迅速升高，具有典型的信号分子特征。在随后五年对这一新现象具体生理意义广泛探索的基础上，本人确定如下假说：植物细胞感应病原菌后，细胞内GSH迅速升高，GSH开启AtGLR3.3 Ca2+ 通道，细胞质内【Ca2+】升高，启动下游防御基因的表达。在本基金的支持下，我们将结合基因芯片，分子生物学，电生理学和活体细胞内【Ca2+】动态检测技术对这一假说进行深入研究。

谷胱甘肽（GSH）是植物体内最丰富的、由三个氨基酸组成的肽。在动物细胞中，GSH不但是重要的抗氧化剂，也是大脑中的神经递质。GSH作为植物细胞内的信号分子的生理和分子机理未知。本研究发现，GSH可以诱导拟南芥叶细胞质内的Ca瞬时升高，升高的强度和GSH的浓度成正相关，同时基本去敏感化的现象，为动物细胞谷氨酸受体钙通道蛋白抑制剂抑制。通过将编码水母发光蛋白的基因aequorin导入缺失谷氨酸受体钙通道AtGLR3.3的拟南芥基因组内，我们证明，GSH诱导细胞质Ca瞬时升高完全是AtGLRC3.3所介导的。基因表达谱芯片研究进一步证明，AtGLR3.3介导大部分GSH对基因表达的调节作用。GSH是植物细胞重要的介导先天免疫的分子。在细菌性病原菌Pst DC3000侵染的情况下，缺失AtGLR3.3基因的拟南芥表现出比野生型更敏感的表型。这些数据表明，AtGLR3.3是介导GSH信号转导的重要基因。相关研究成果以通讯作者身份发表在<Plant Physiology>上。同期期刊发表编辑对这篇论文的重点评论。植物细胞中存在与动物细胞高度相似的先天免疫系统 （innate immunity）。该系统在未接触病原菌时已存在，并能对病原菌侵染作出防卫反应，主要表现为防卫基因的表达。AtPEP1是在拟南芥中鉴定到的新型短肽激素，可以激活含有亮氨酸重复序列的激酶受体AtPEPR1和AtPEPR2。AtPEPR1主要介导AtPEP1在叶子中激发的先天免疫。目前AtPEPR2功能未知。研究发现，AtPEPR2在根中有强表达。缺失AtPEPR2的突变体表现出短根的表型。AtPEP1对atpepr2突变体根延伸的抑制和细胞质Ca诱导作用降低。转录组研究发现，AtPEPR2负责调节AtPEP1诱导的75%的基因表达。拟南芥基因组共有七个编码谷氨酰胺外运蛋白（AtGDU）的基因，其中三个的表达为AtPEP1通过依赖AtPEPR2的途径强烈抑制。AtPEP1强烈抑制AtGDU3启动子的活性。AtPEP1对过量表达AtGDU3拟南芥的根延长的作用降低。这些数据表明，AtPEPR2在介导AtPEP1在根中的信号转导发挥重要功能。研究成果以通讯作者身份发表在<Journal of Integrative Plant Biology>。