损伤模拟基因HLM1可正向调节水稻的细胞死亡和抗病性

《Frontiers in Plant Science》：Lesion mimic gene HLM1 positively regulates cell death and disease resistance in rice

水稻显性 lesion mimic突变体Hlm1通过激活OsNRAT1基因与OsSPL1相互作用，调控程序性细胞死亡相关通路及次生代谢物合成，增强对细菌性病害的抗性，为水稻抗病机制研究提供新资源。

　　植物在面对病原体入侵时，发展出了一系列复杂的防御机制，其中包括一种称为程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）的反应。PCD是一种在感染部位快速诱导局部细胞死亡的过程，是植物抵御病原体侵袭的重要策略之一。在这一过程中，植物会释放大量活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），并激活一系列与病原体相关（Pathogenesis-Related, PR）基因的表达，同时还会积累具有抗菌作用的植物抗毒素（Phytoalexins）。这些反应共同构成了植物的超敏反应（Hypersensitive Response, HR），即一种快速且高效的防御机制。然而，尽管HR在植物免疫中起着关键作用，其具体的分子机制仍存在许多未解之谜。

为了探索这一机制，科学家们利用了一种特殊的资源——病斑模拟突变体（Lesion MImic Mutants, LMMs）。LMMs是指在没有病原体侵染的情况下，自发表现出类似HR的细胞死亡斑点的突变体，它们通常表现出对病害的增强抵抗力。这种突变体为研究HR提供了重要的工具，因为它们能够激活防御反应，从而帮助科学家揭示HR背后的分子机制。目前，已知大多数LMMs为隐性突变，但极少数为显性突变，这表明某些关键免疫调节基因的增益功能突变可能是有益的，但同时也可能对植物造成不利影响。

在水稻中，已鉴定出至少61个LMM相关基因，这些基因编码的蛋白质功能多样，主要可分为四类：第一类涉及基因转录和蛋白质翻译，第二类与蛋白质后翻译修饰（Post-Translational Modifications, PTMs）相关，第三类参与细胞内囊泡运输，第四类则涉及代谢催化。由于这些LMM基因在不同层面的调控作用，HR介导的细胞死亡和防御反应的分子机制显得尤为复杂。

在本研究中，科学家们从Nipponbare水稻的T0转基因植株中分离出一个新的显性LMM突变体，命名为Hlm1。该突变体表现出类似HR的细胞死亡特征，包括在叶片上形成斑点，并伴随ROS的过度积累以及PR基因的持续表达。Hlm1突变体还显示出对水稻细菌性条斑病（Rice Bacterial Blight）的增强抗性。通过遗传分析，研究人员发现Hlm1的病斑模拟表型是由一个显性等位基因控制的，该基因与水稻染色体2上的T-DNA插入紧密关联。进一步的实验表明，候选基因OsNRAT1在Hlm1突变体中高度上调，而通过CRISPR/Cas9技术对OsNRAT1进行功能丧失实验后，Hlm1突变体的病斑模拟表型显著减弱，这说明OsNRAT1在Hlm1突变体的病斑模拟过程中起着关键作用。

OsNRAT1是一种编码Nramp（自然抗性相关巨噬细胞蛋白）铝转运蛋白的基因，其在水稻中的作用已经被证实与铝耐受性相关。在Hlm1突变体中，OsNRAT1的高表达不仅促进了病原体防御反应，还增强了植物对铝的耐受能力。这表明OsNRAT1可能在多个生理过程中发挥作用，而不仅仅是铝转运。进一步的蛋白质互作分析表明，OsNRAT1与OsSPL1存在直接相互作用，OsSPL1是一种已被验证为水稻防御反应组成部分的蛋白质。这种相互作用可能在调控细胞死亡和病害防御中起着关键作用。

为了更深入地了解OsNRAT1在防御反应中的具体作用，研究人员通过转录组分析揭示了Hlm1突变体中OsNRAT1的高表达如何影响植物的防御机制。分析结果显示，OsNRAT1的表达促进了植物与病原体相互作用的信号通路和MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号通路的激活，从而诱导下游防御基因的表达。同时，OsNRAT1还通过激活二萜类植物抗毒素的合成通路，提高植物对病原体的抵抗力。这些发现不仅揭示了OsNRAT1在防御反应中的多方面作用，还为理解水稻中HR的分子机制提供了新的视角。

此外，OsNRAT1与OsSPL1的相互作用可能通过调节S1P（鞘氨醇-1-磷酸）的水平，进而影响植物的防御信号通路。S1P是一种重要的鞘脂信号分子，其在细胞死亡和防御反应中扮演着关键角色。通过Y2H（酵母双杂交）和BiFC（双分子荧光互补）技术，研究人员确认了OsNRAT1与OsSPL1之间的相互作用，并进一步发现OsSPL1在水稻中具有双重功能：一方面负向调控病害抗性，另一方面正向促进细胞死亡。这表明OsNRAT1可能通过影响OsSPL1的活性，间接调控S1P的水平，从而影响植物的防御反应和细胞死亡过程。

研究还发现，Hlm1突变体在某些生理特性上表现出与野生型（WT）显著不同的特征。例如，其株高、分蘖数、旗叶长度和宽度、穗长、每穗粒数、结实率和千粒重等农艺性状均受到显著影响。这些结果表明，Hlm1突变体的防御机制不仅改变了植物的免疫反应，还可能对其生长发育产生广泛影响。这种现象可能与OsNRAT1的表达增强所引发的多种信号通路的激活有关，而这些通路可能通过调节植物的代谢和生理过程，间接影响了植物的生长表现。

总体而言，本研究通过Hlm1突变体的发现和OsNRAT1的深入分析，揭示了水稻中HR和病害抗性之间复杂的分子机制。OsNRAT1不仅参与铝耐受性，还通过与OsSPL1的相互作用，调控S1P水平，进而影响植物的防御信号通路和细胞死亡过程。这些发现为水稻抗病育种提供了新的思路，同时也为理解植物免疫系统中的信号传递机制提供了重要的线索。未来的研究可以进一步探讨OsNRAT1在不同环境条件下的功能，以及其与其他免疫相关基因之间的相互作用，以期在植物抗病和抗逆研究中取得更多突破。