水杨酸介导的脂阀重排调节胞间连丝通透性的机制研究

Plasmodesmata (PD) are specialized membrane microdomains-enriched structures that play essential roles particularly during pathogen infection. After interaction of pathogen with host membrane, pathogens enhance their spread by controlling the size exclusion limit of PD; on the other hand, host cells trigger Salicylic acid (SA) accumulation to initiate defense cascades. Besides the well-documented SA-mediated transcriptional signaling, it is evident that a crucial SA role in defense is regulation of cell-to-cell communication, nonetheless, the underlying mechanism is largely elusive. Here, we showed that high level of SA disrupts PD permeability as well as plasma membrane (PM) lipid raft origanization, leading to nano-clustering of Remorin (REM)-labelled membrane lipid microdomains. Transmission electron microscopy combined with three-dimensional electron tomography showed that PD aperture was increased in Arabidopsis rem1.2 and 1.3 mutants while decreased in overexpressed Remorin lines, which is dependent on SA-mediated lipid order. Thus, Remorins are key regulators involved in SA-mediated PD clourse. In the future, we plan to explore the mechanism how Remorins are involved in SA-mediated PD clourse. Through transcriptome analysis of overexpressed Remorin plants and Remorin interactors screening, we aim to uncover Remorin-dependent regulatory network of PD permeability. Our findings will unveil an underlying immune response mechanism that lipid raft reorganize after interaction of pathogen and host plant, in conjunction of PD closure, which establishes the fundenmental role of PD in plant immunity.

胞间连丝是脂阀富集的特化超微细胞结构，也是病毒入侵的一条主要途径。病原菌与宿主细胞互作，通过增加胞间连丝孔径，完成入侵扩散；而宿主则合成高水平的水杨酸，启动系统性防御反应。虽然水杨酸介导的下游信号已被阐明的相对清晰，然而胞间连丝的结构和功能如何参与水杨酸信号介导的植物免疫尚不清楚。本课题初步证明高水平水杨酸刺激细胞膜脂阀的重排，脂阀特异定位的Remorin蛋白的聚集，同时关闭胞间连丝。冷冻透射电镜结合三维断层显像技术证明Remorin突变体和过表达植株显著调控胞间连丝孔径，并参与水杨酸信号途径，因而Remorin是研究水杨酸介导的胞间连丝关闭的关键因子。未来，我们将围绕Remorin如何参与水杨酸信号途径，并如何介导胞间连丝关闭这些关键问题，寻找Remorin的互作蛋白和下游调控元件，合理的设计实验并验证，建立胞间连丝在植物免疫防御过程中的地位。

在病原菌与宿主植物互作过程中,病毒通过增加胞间连丝孔径完成从一个细胞入侵至相邻细胞；而宿主植物则合成水杨酸，启动防御反应降低胞间连丝通透性来阻止病毒的扩散。虽然水杨酸介导的下游信号已被阐明的相对清晰，然而胞间连丝的结构和功能如何响应水杨酸介导的植物防御反应仍知之甚少。本项目系统地研究了1）水杨酸对胞间连丝通透性的抑制依赖于脂阀排布；2）脂阀定位的Remorin蛋白在水杨酸介导的胞间连丝关闭过程中的关键功能；3）解析水杨酸通过Remorin实现脂阀重排的机理。在以上研究结论的基础上，本项目延续性地开展了后续的工作1）证实了水杨酸通过对细胞膜微域的脂阀排布，调节生长素极性运输载体PIN2在细胞膜的动态分布，决定植物生长素流动进而调控根的生长；2）通过研究脂阀超微区的不同微区域蛋白Tetraspanins的结构功能域证实了“GCCK/RP”以及半胱氨酸残基对于Tetraspanins的关键作用，揭示了Tetraspanins蛋白介导的免疫调节机制。. 上述研究工作发现了水杨酸信号可以通过细胞膜脂阀从无序液相转变成有序液相来调控质膜流动性，从而关闭胞间连丝来阻止病原菌扩散的植物防御反应和抗病的新型分子机制，该工作为研究水杨酸参与植物防御反应和提高植物抗性提供了新的思路；同时揭示了水杨酸在激活植物免疫之外的又一功能，通过调节植物细胞表面的生长素极性运输PIN2蛋白的动态分布，决定植物生长素流动进而调控根的生长，为植物抑制生长素运输以应对病原感染，平衡防御-生长权衡的机制提出了新的见解。. 该项目相关的研究结果已经发表在PNAS（2019）、New Phytologist（2021）、Frontiers in Plant Science（2022）等杂志，并受邀撰写综述两篇分别发表于Horticulture Research（2019）、Plant Science（2021），培养博士生2人，硕士生4人，实现了预期的目标。