AtILP1通过细胞自噬途径介导拟南芥对大丽轮枝菌免疫应答的机制研究

Autophagy plays an essential role in plant immunity, but little is known about the functional mechanism(s) that couple these two important cellular processes. In previous study, we identified an apoptosis-related protein (named AtILP1) that showed an induced expression in response to Verticillium dahliae infection in wild type Arabidopsis plant, but lost the response in the autophagy defection mutant. AtILP1 is a member of inhibitor of apoptosis protein family (IAPs). Interestingly, we observed that this protein was co-expressed with autophagy marker protein ATG8E as puncta and responded strongly to the treatment of a fungal PAMP elicitor (Chitin). In animals, several recent studies have revealed the function of IAP in autophagy pathway as substrate or component, but its link to autophagy has not been reported in plants. The aim of this study is to characterize the functional basis by which AtILP1 contributes to immune responses via autophagy. Our study will be focused on four facets. 1. The role or contribution of AtILP1 in the defense against V. dahlia in Arabidopsis. 2. The participation of AtILP1 in the process or regulation of autophagy. 3. Identification of AtILP1-interacting proteins. 4. The association of AtILP1 with different hormone signaling pathways or other biological processes such as cell death. By these approaches, we shall be able to gain rich information for the mechanisms of AtILP1-involved immune responses against V. dahliae via autophagy process. Based on our results, we will try to elucidate the relationship among autophagy, cell death, defense-related signaling pathways, and their regulatory network. The results will not only provide new theoretical evidence for understanding the mechanism of autophagy-dependent plant immunity, but also new ideas for molecular breeding of crops with improved Verticillium resistance.

细胞自噬在植物先天免疫过程中发挥重要作用，但对其作用分子机制还知之甚少。基于蛋白质组学，我们分离了一个依赖细胞自噬途径的大丽轮枝菌应答蛋白AtILP1。该蛋白是细胞凋亡抑制因子（IAPs）家族成员，与自噬标志蛋白ATG8E共定位且能对真菌激发子Chitin应答。IAPs在动物中可作为底物或组分参与细胞自噬，但其与植物自噬的关联还未见报道。本项目拟综合利用分子遗传、细胞生物和生物化学的分析方法，以大丽轮枝菌-拟南芥为模式系统，鉴定AtILP1在大丽轮枝菌入侵条件下的生理功能，明确AtILP1在自噬形成或功能调节中的作用，筛选、验证AtILP1互作蛋白，进而了解AtILP1在自噬介导免疫应答中的功能和作用机理。在此基础上，阐释细胞自噬、免疫应答相关信号途径和细胞死亡的关联及其调控网络。相关结果不仅能为细胞自噬介导植物免疫的分子机制研究增添新理论依据，而且为抗黄萎病分子育种提供新思路。

细胞自噬在植物先天免疫过程中发挥重要作用，我们前期研究在拟南芥中分离了依赖细胞自噬途径的大丽轮枝菌应答蛋白AtILP1。该蛋白是细胞凋亡抑制因子（IAPs）家族成员，IAPs在动物中可作为底物或组分参与细胞自噬，但其与植物自噬的关联还未见报道。在本项目中，我们鉴定了AtILP1在大丽轮枝菌入侵条件下的生理功能及其分子机理。抗性鉴定实验显示，过表达AtILP1能够提高拟南芥对大丽轮枝菌的耐病性，而缺失或突变AtILP1显著增强了拟南芥对大丽轮枝菌的感病性，表明AtILP1在拟南芥抵御大丽轮枝菌中发挥正向作用。亚细胞定位分析表明，AtILP1在未接菌状态下，主要定位于细胞核中；接菌后，可同时在诱导产生的自噬泡中表达。酵母双杂系统筛到与AtILP1可能有相互作用的蛋白23个，通过生物信息学分析，发现3个与细胞自噬相关的候选蛋白。进一步的酵母一对一和BIFC实验证实了AtILP1与BI-1可在自噬泡中互作，对其互作用机理的研究尚在进行之中。.同时，由本项目支持，我们也分别以拟南芥和棉花为寄主植物，开展了与之相关的两项研究：1. 通过对大丽轮枝菌侵染拟南芥后的蛋白质组变化进行了详尽分析。发现了当前尚未报道的几个生物学过程参与了对大丽轮枝菌的应答，这些生物学过程包括外泌体生成、色氨酸衍生物（植物抗毒素和生氰化合物）的诱导、生长-免疫转换与棉花黄萎病抗性相关。在此研究基础上，探讨AtILP1是否也能够在这些应答中发挥作用，也有助于全面了解AtILP1作用的分子机制。2. 通过蛋白功能分析，发现只在侵染后棉花中出现的海岛棉蛋白GbPR10.5D1是PR10家族的独特成员，通过介导脂代谢调控棉花的结构抗性和免疫相关信号，参与对黄萎病抗性的正调控。前人研究表明PR10蛋白参与植物免疫过程中细胞死亡的调节，以GbPR10.5D1为切点，明确其在对大丽轮枝菌应答中发挥的作用，有助于了解与寄主植物在大丽轮枝菌入侵过程中产生细胞死亡相伴随的免疫变化，为全面了解AtILP1作用的分子机制奠定基础。研究关键调控因子通过参与细胞自噬或细胞死亡在植物免疫中发挥作用的机制，能够明确细胞自噬或细胞死亡与植物抗性的关系，使通过特异控制细胞自噬或死亡的发生而改良植物抗性成为可能，具有重要的科学意义。迄今为止，在权威杂志上发表以该基金为第一标注的文章2篇，培养硕士生4名。