植物感知 flg22 信号的电信号传导机制及其在防御中的关键作用

为探究 flg22 感知信息转化为电信号的机制，研究人员以拟南芥和蚕豆为对象开展研究，发现其引发的电信号可触发筛管堵塞等，对植物防御至关重要。

　　在植物的微观世界里，当面临细菌威胁时，它们如何巧妙地感知并做出防御反应，一直是科学家们热衷探索的奥秘。植物可以识别微生物分子模式（MAMPs）或损伤相关分子模式，从而诱导防御反应。其中，鞭毛蛋白表位 flg22 作为一种与细菌感染相关的 MAMP，能被受体激酶 FLAGELLIN SENSING 2（FLS2）识别。然而，flg22 被感知后，相关信息如何转化为电信号，以及这些电信号在植物局部和系统防御反应中扮演何种角色，仍存在诸多未知。为了揭开这些谜团，研究人员以拟南芥（Arabidopsis thaliana）和蚕豆（Vicia faba）为研究对象，深入开展研究。该研究成果对于理解植物的防御机制，以及开发新的植物保护策略具有重要意义。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在植物材料选择上，精心培育了不同品种的拟南芥和蚕豆植株用于各项实验。借助共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），精确观察 FLS2 受体在植物组织细胞中的定位情况；利用水母发光蛋白检测技术，细致测定细胞内 Ca²⁺浓度变化；通过细胞内外电生理测量方法，准确记录电信号变化；运用荧光显微镜技术，直观观察筛管堵塞等现象；采用 RNA 提取及逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）技术，深入分析基因表达水平。

研究结果如下：

• FLS2 受体密度在不同细胞类型中存在差异：通过 RT-qPCR 和 CLSM 技术，研究人员发现拟南芥中叶脉组织的AtFLS2基因表达水平显著高于叶片其他组织。在细胞层面，保卫细胞、表皮细胞以及维管束区域的伴胞、韧皮部和木质部薄壁细胞中 FLS2-GFP 密度较高，而筛管分子（SEs）中几乎检测不到。
• Flg22 触发拟南芥叶脉细胞双相 Ca²⁺内流：用 1μM flg22 处理表达水母发光蛋白的拟南芥植株后，发现其细胞质中 Ca²⁺浓度在处理后的前 5 分钟内升高，且呈现双相峰值，第一峰值出现在处理后 1 分钟，第二峰值在 3 - 4 分钟后出现，同时还发现维管束细胞对 flg22 的 Ca²⁺反应比表皮细胞慢。
• Flg22 引发拟南芥从表皮到维管束的电信号传导：由于表皮细胞中 FLS2 丰度高，而叶肉和 SEs 中缺乏 FLS2 受体，研究人员推测存在从表皮到维管束的电信号传播。通过细胞外电压记录实验，证实了 flg22 处理后能引发电压变化，且该电压变化信息可跨越表皮和维管束组织间的 FLS2 贫乏区域，并以电波（EPWs）形式传播更远距离。
• Flg22 诱导拟南芥韧皮部物质运输的短暂阻断：研究人员利用荧光示踪剂 CFDA 实验发现，1μM 或 100nM flg22 处理野生型拟南芥叶片 10 分钟后，筛管下游检测不到荧光，表明筛管堵塞（SEO）阻碍了物质运输，90 分钟后筛管运输恢复，而fls2突变体中未观察到 flg22 诱导的 SEO。
• 蚕豆中 FLS2 同源物的鉴定和特性分析：通过系统发育分析，研究人员鉴定出蚕豆中的 VfFLS2。将 VfFLS2 - Venus 融合构建体在烟草中瞬时表达，发现其定位于质膜。在缺乏 FLS2 的拟南芥原生质体中异源表达 VfFLS2，证实其能感知 flg22 并引发细胞反应。
• 蚕豆 SE 原生质体不含 FLS2 受体：研究人员利用蚕豆 SE 原生质体实验发现，添加 1μM flg22 后，其中的福里松体（forisomes）无反应，而经低渗休克处理后福里松体可分散，表明蚕豆 SE 质膜缺乏 VfFLS2 受体。同时，通过监测活性氧（ROS）产生也证实了这一点。
• Flg22 在蚕豆中触发从表皮到 SE 途径的不同去极化：研究人员在蚕豆叶脉的不同细胞类型中进行细胞内记录，发现 flg22 处理后，亚表皮细胞、韧皮部薄壁细胞和 SEs 均出现电压变化，但去极化曲线差异明显，且 Ca²⁺通道阻滞剂 La³⁺可抑制 SE 去极化，表明 Ca²⁺参与了 flg22 诱导的电反应。
• Flg22 触发蚕豆 SEs 中基于福里松体的 SEO：研究人员去除蚕豆主脉下表皮组织，暴露韧皮部并施加不同浓度 flg22，发现 10μM flg22 处理 2 分钟后福里松体分散，10 - 18 分钟后重新凝聚，flg22 诱导的福里松体分散具有浓度依赖性，且仅能诱导附近 SEs 的堵塞。
• 蚕豆福里松体对渗透休克有反应：研究人员发现，谷氨酸或 γ - 氨基丁酸（GABA）处理不能诱导福里松体分散，而 1M 山梨醇诱导的高渗休克可使福里松体分散，表明蚕豆中只有变异电位（VPs）能引发福里松体分散和 SEO。
• SEOR 缺失影响拟南芥植物激素产生和对假单胞菌的抗性：研究人员构建了AtSEOR1和AtSEOR2双敲除拟南芥突变体（Atseor1/2），发现 flg22 处理后，野生型植株中茉莉酸 - 异亮氨酸（JA - Ile）显著增加，而Atseor1/2突变体中不明显。同时，Atseor1/2突变体对Pseudomonas syringae的易感性更高，表明 SEO 在植物防御中起重要作用。

综合研究结果和讨论部分，该研究明确了 FLS2 受体在植物细胞中的分布模式，揭示了 flg22 感知引发的双相 Ca²⁺内流和电信号传导机制，以及这些信号如何触发筛管堵塞和影响植物激素合成，进而增强植物对细菌感染的抗性。这些发现为深入理解植物的免疫防御机制提供了新的视角，也为未来开发基于植物自身防御机制的病虫害防治策略奠定了理论基础，有助于推动农业可持续发展，在植物保护领域具有重要的应用潜力。