Nature | 单立波/何平教授团队揭示植物免疫调控新机制

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植物与病原菌之间的互作过程是物种间信息交流非常奇妙的过程，面对种类繁多、习性各异的微生物，植物进化出第一道免疫防线，被称为PTI（PAMP-triggered immunity）。这一过程中定位在细胞膜上的PRRs（pattern recognition receptors）起关键作用。PRRs包括三个典型的结构域：胞外配体结合结构域，跨膜结构域和胞内激酶结构域，PRRs可以特异识别病原体保守的PAMP（pathogen-associated molecular pattern，例如细菌的鞭毛蛋白和真菌的几丁质），通过跨膜结构域激活胞内的激酶结构域，进而激活下游的免疫信号【1】。（Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！）

拟南芥胞质受体类激酶（Receptor-like cytoplasmic kinases, RLCKs）BIK1是与多个重要PRRs蛋白（例如FLS2、BAK1和SERK）有关的免疫调节因子。BIK1在PRRs复合体的下游发挥作用。BIK1可以磷酸化细胞膜上的NAHPH氧化酶类进而调节活性氧的产生，也可以磷酸化离子通道功能相关的核苷酸，改变胞质内钙离子的浓度等【2,3】。然而，BIK1的激活及其与PRR复合物动态关系的调控目前还不清楚。

美国德州农工大学（Texas A&M University）单立波教授和何平教授团队在Nature上发表一篇题为Ligand-induced monoubiquitination of BIK1 regulates plant immunity的研究论文，报道了BIK1蛋白与植物细胞表面的PRRs蛋白之间一条新的调控途径，揭示了配体引发的BIK1单泛素化调控植物免疫的新机制。（点击话题：植物病原微生物）

该研究首先利用共聚焦显微镜观察到BIK1蛋白在细胞膜间动态分布，flg22处理后BIK1丰度上升，FLS2的丰度同样也会上升但是稍晚。已有的研究表明，U-box E3连接酶类PUB12和PUB13通过多位点泛素化FLS2促进其降解【4】。研究人员猜测BIK1可能也会被泛素化，免疫共沉淀的结果显示BIK1发生了单泛素化，进一步扩大范围研究发现除flg22外其他类的MAMPs，包括elf18, pep1, 几丁质也可以引起BIK1的单泛素化，说明BIK1被单泛素化是MAMPs诱发后的统一事件。

已有的研究发现，flg22处理后的BIK1还可以被磷酸化【5,6】。该研究发现，flg22诱导的BIK1磷酸化是BIK1在细胞膜上单泛素化的前提。为了鉴定BIK1被泛素化相关的分子伴侣，研究人员利用酵母双杂交筛选到编码E3泛素连接酶的基因RHA3A（AT2G17450），并通过体内体外互作实验进行了确认。同时发现，与RHA3A同一家族的RHA3B也可以与BIK1互作。体外泛素化检测发现RHA3A可以自泛素化，经过突变体分析，确定RHA3A/B正调控flg22诱导BIK1的单泛素化。利用液相色谱串联质谱对RHA3A泛素化BIK1的关键功能位点进行分析，发现RHA3A单泛素化BIK1，可能BIK1被单泛素化的位点并不单一，也可能在被泛素化过程中存在多泛素化过程，而且BIK1的被磷酸化不受其单泛素化影响。经过一系列突变体和转基因株系检测，证实了RHA3A/B单泛素化BIK1可以调控ROS的产生和植物免疫。

研究人员利用正常的BIK1和单泛素化缺陷的BIK1对内吞进行了研究，发现BIK1和FLS2可能不能同时内吞，与它们的泛素化类型不同有关，而被诱导单泛素化的BIK1直接影响其细胞膜的内吞过程，分析单泛素化缺陷的BIK1对FLS2细胞膜内吞及FLS2与BIK1解离的影响，说明被诱导单泛素化BIK1的过程对BIK1从细胞膜受体PRRs复合体上解离、BIK1的内吞以及激活免疫信号传导有重要作用。

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综上所述，本研究揭示了一条不同于PUB25和PUB26多泛素化BIK1调控其稳定【7】、PUB12或PUB13多泛素化FLS2调控其降解【5,8】的PTI调控途径，即发现了被MAMPs诱导过程中，RHA3A/B介导BIK1的单泛素化促进其从PRR复合体分离并刺激其细胞膜内吞的现象，并且研究了这一过程在植物免疫反应中的重要功能，为深入理解植物天然免疫的机制提供了新的见解。（点击话题：植物病原微生物）

参考文献：

【1】 Yu, X., Feng, B., He, P. & Shan, L. From chaos to harmony: responses and signaling uponmicrobial pattern recognition. Annu. Rev. Phytopathol. 55, 109–137 (2017).

【2】 Li, L. et al. The FLS2-associated kinase BIK1 directly phosphorylates the NADPH oxidase RbohD to control plant immunity. Cell Host Microbe 15, 329–338 (2014)

【3】 Kadota, Y. et al. Direct regulation of the NADPH oxidase RBOHD by the PRR-associated kinase BIK1 during plant immunity. Mol. Cell 54, 43–55 (2014)

【4】 Lu, D. et al. Direct ubiquitination of pattern recognition receptor FLS2 attenuates plant innate immunity. Science 332, 1439–1442 (2011)

【5】 Lu, D. et al. A receptor-like cytoplasmic kinase, BIK1, associates with a flagellin receptor complex to initiate plant innate immunity. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 496–501 (2010)

【6】 Zhang, J. et al. Receptor-like cytoplasmic kinases integrate signaling from multiple plant immune receptors and are targeted by a Pseudomonas syringae effector. Cell HostMicrobe 7, 290–301 (2010).

【7】 Wang, J. et al. A regulatory module controlling homeostasis of a plant immune kinase. Mol. Cell 69, 493–504.e496 (2018)

【8】 Zhou, J. et al. The dominant negative ARM domain uncovers multiple functions of PUB13 in Arabidopsis immunity, flowering, and senescence. J. Exp. Bot. 66, 3353–3366 (2015).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2210-3

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