责编 | 王一

为了避免不必要的能量消耗，植物在正常生长过程中需要有效地抑制防御基因的表达；而在感知到病原菌入侵时，植物又必须快速诱导防御基因的转录，以激活免疫信号通路。多个转录因子家族在植物防御基因转录抑制到激活的转换过程中发挥着重要的调控作用，TGA家族就是其中一类关键的调节因子。当病原菌侵染拟南芥时，其体内激增的水杨酸（SA）水平可以促进NPR1单体在细胞核内的富集，进而促使AtTGA2多聚体解离成为二聚体(Mou et al., 2003; Kesarwani et al., 2007; Boyle et al., 2009)，这一结构变化解除了AtTGA2对于病程相关（PR）基因的转录抑制作用。TGA转录因子在不同植物物种中具有较高的功能保守性，比如：水稻中TGA2.1抑制防御基因的转录，并负调控水稻对白叶枯病菌的免疫抗性 (Fitzgerald et al., 2005)。然而，对于水稻这类单子叶作物而言，在正常生长过程中其体内持续积累较高的SA水平，且病原菌的侵染并不会显著改变水稻体内的SA含量。因此，在面临病原菌入侵时，水稻如何解除TGA对于防御基因转录的抑制作用是一个重要的科学问题，至今没有明确答案。

2022年6月1日，福建农林大学王莫教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为“Phosphorylation of OsTGA5 by Casein Kinase II Compromises Its Suppression of Defense-related Gene Transcription in Rice”的研究论文，揭示了水稻中细胞核定位CK2激酶复合体通过磷酸化OsTGA5第32位的丝氨酸进而减弱其对稻瘟病抗性相关基因转录抑制作用的新机制。

由Magnaporthe oryzae引起的稻瘟病是水稻最主要的真菌病害，给世界范围内稻米产量的稳定造成严重威胁。深入解析水稻抗稻瘟病免疫反应的分子机理，挖掘具有应用价值的抗病基因，可以完善水稻与稻瘟菌互作机制的知识体系，同时为抗稻瘟病育种提供新的遗传资源。

王莫教授课题组的该项研究首先明确了水稻中与AtTGA2同源性最高的转录因子OsTGA5在水稻抗稻瘟病免疫反应中的负调控作用。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术在ZH11背景下创制OsTGA5敲除突变体表现为对稻瘟菌的抗性显著增强。接种稻瘟菌后，ostga5突变体中多个防御相关基因的转录水平显著高于野生型。其中，作者发现JIOsPR10的启动子区域包含一个保守的TGA家族结合DNA基序（TGACGT），并进一步证明OsTGA5可以直接结合到JIOsPR10的启动子基序，进而抑制其转录。深入的转录组测序分析表明，OsTGA5可能对水稻免疫反应通路中众多防御基因的转录都起到抑制作用。

为进一步阐明水稻中OsTGA5活性的调控机理，作者通过互作蛋白筛选鉴定到定位于细胞核内的酪蛋白激酶复合体II（casein kinase II, CK2）的β亚基（OsCK2β1）与OsTGA5直接互作，而复合体中具有催化活性的α亚基（OsCK2α2）与OsTGA5间存在植物体内互作。利用蛋白磷酸化质谱分析和识别磷酸化位点的特异抗体检测，作者证明OsCK2α2可以在体内、体外对OsTGA5 Ser32进行磷酸化修饰。该位点的磷酸化修饰可以降低OsTGA5与JIOsPR10启动子基序的结合能力，同时解除OsTGA5在体内对JIOsPR10转录的抑制作用。同时，作者发现稻瘟菌侵染或几丁质处理可以增强水稻体内OsTGA5 Ser32的磷酸化水平，这也进一步证明依赖于CK2的OsTGA5 Ser32磷酸化修饰对于稻瘟菌入侵时，水稻体内防御基因由转录抑制向激活状态的转变发挥着重要的调控作用。此外，作者还发现OsCK2β1的转录水平在稻瘟菌侵染后，显著诱导上调；同时， OsCK2α2的敲除也影响了接种后JIOsPR10的转录上调，降低了水稻对稻瘟菌的抗性水平。

图. 稻瘟菌侵染增强CK2激酶复合体对OsTGA5的磷酸化，进而促进防御相关基因表达的工作模型。

基于以上结果，作者提出水稻中依赖CK2对TGA转录因子的磷酸化修饰，诱导防御相关基因表达的工作模型：在正常生长情况下，水稻中OsTGA5与防御相关基因的启动子结合并抑制其转录，以避免能量消耗；此时，细胞核中CK2激酶复合体主要参与调节水稻生长发育等生物学过程；而在水稻受到稻瘟菌入侵时，CK2 β亚基编码基因的表达上调，促进了CK2激酶复合体与OsTGA5之间的结合，导致OsTGA5 Ser32位点的磷酸化增强；随后，被磷酸化的OsTGA5从其靶标基因的启动子区域解离释放，进而减弱其对防御相关基因的转录抑制作用。值得关注的是，OsTGA5的敲除在增强稻瘟病抗性的同时，并未对水稻主要农艺性状造成不利影响。因此，该项研究为利用基因编辑技术改良水稻稻瘟病抗性提供了一个优良的遗传资源。

福建农林大学博士研究生牛雨晴为该论文的第一作者，王莫教授和周元昌教授为该论文的通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、福建农林大学植物免疫研究中心启动经费的资助。

相关文献：

Boyle, P., Su, E.L., Rochon, A., Shearer, H.L., Murmu, J., Chu, J.Y., Fobert, P.R., and Després, C. (2009). The BTB/POZ domain of the Arabidopsis disease resistance protein NPR1 interacts with the repression domain of TGA2 to negate its function. Plant Cell 21, 3700-3713.

Fitzgerald, H.A., Canlas, P.E., Chern, M.-S., and Ronald, P.C. (2005). Alteration of TGA factor activity in rice results in enhanced tolerance to Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Plant Journal 43, 335–347.

Kesarwani, M., Yoo, J., and Dong, X. (2007). Genetic interactions of TGA transcription factors in the regulation of pathogenesis-related genes and disease resistance in Arabidopsis. Plant Physiology 144, 336-346.

Mou, Z., Fan, W., and Dong, X. (2003). Inducers of plant systemic acquired resistance regulate NPR1 function through redox changes. Cell 113, 935-944.

论文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac164/6596620