番茄系统素信号通路中PLL2依赖的激活机制揭示植物抗虫防御的独特调控路径

本研究揭示了番茄系统素(systemin)信号通路中Poltergeist-Like2(PLL2)磷酸酶的关键作用。研究人员通过磷酸化蛋白质组学分析发现，SYR1受体依赖的PLL2去磷酸化激活可特异性抑制质膜H+-ATPase活性，触发细胞外碱化反应，进而激活茉莉酸途径介导的抗虫防御。该研究阐明了系统素信号区别于其他免疫途径的分子机制，为作物抗虫育种提供了新靶点。

　　

在植物与植食性昆虫的长期博弈中，番茄进化出了一套精妙的防御系统，其中系统素(systemin)作为首个被发现的植物信号肽，扮演着"危险警报"的关键角色。这个由18个氨基酸组成的小肽，就像植物界的"紧急求救信号"，能在遭受虫害时迅速激活防御反应。然而，尽管科学家们早已知道系统素通过SYR1受体激酶传递信号，但其下游特异的信号转导机制却始终笼罩在迷雾中，特别是它如何区别于其他免疫途径激活独特的抗虫防御反应。

来自德国霍恩海姆大学等机构的研究团队在《Nature Plants》发表重要成果，揭示了Poltergeist-Like2(PLL2)磷酸酶在系统素信号通路中的核心作用。研究发现，系统素通过SYR1受体激酶触发PLL2的去磷酸化激活，进而特异性抑制质膜H⁺-ATPase活性，导致细胞外碱化和膜电位变化，最终激活茉莉酸途径介导的抗虫防御。这一发现不仅阐明了系统素信号的特异性机制，还为作物抗虫育种提供了新的分子靶点。

研究人员运用了多项关键技术：1)磷酸化蛋白质组学分析系统素处理的番茄细胞；2)CRISPR/Cas9基因编辑构建syr1和pll2突变体；3)酵母互补实验验证H⁺-ATPase调控机制；4)双分子荧光互补(BiFC)和免疫共沉淀(Co-IP)分析蛋白互作；5)活性氧爆发和细胞外pH检测等生理学实验。所有实验均使用番茄(Solanum lycopersicum)和本氏烟(Nicotiana benthamiana)为材料。

Poltergeist-Like2(PLL2)-dependent activation of herbivore defence distinguishes systemin from other immune signalling pathways

磷酸化蛋白质组学分析发现，系统素处理1分钟后野生型番茄细胞出现显著的蛋白质去磷酸化现象，而syr1突变体则完全丧失这一反应。聚类分析将1,036个磷酸位点归入呈现瞬时去磷酸化的特征簇，其中PLL2的Ser151、Ser142和Ser160位点表现出最显著的去磷酸化动态。这一发现首次揭示了系统素信号的特异性早期事件。

+-ATPase活性'>

The dephosphorylated,active form of SIPLL2 inhibits tomato P-type H⁺-ATPases

研究发现PLL2的活性受其N端结构域磷酸化状态调控：磷酸化模拟突变体PLL2^3D活性降低，而去磷酸化模拟突变体PLL2^3A活性提高3倍。酵母互补实验证实，PLL2通过去磷酸化质膜H⁺-ATPase(LHA1和LHA4)的C端调节苏氨酸抑制其活性。特别值得注意的是，PLL2与LHA1的互作需要系统素诱导的去磷酸化激活，而与LHA4的互作则不受此调控。

Systemin responses depend on SIPLL2

pll2突变体表现出持续的质子外排增强和根系生长加速，表明PLL2组成性抑制H⁺-ATPase活性。更重要的是，pll2突变体完全丧失系统素诱导的细胞外碱化反应、ROS爆发和MAPK激活，且对烟草天蛾(Manduca sexta)的抗性显著降低。这些缺陷在三个独立的pll2等位突变体中均得到验证，证实了表型的可靠性。

研究还发现一个有趣的现象：虽然PLL2也参与flg22和几丁质诱导的免疫反应，但其磷酸化调控却是系统素信号特有的。这解释了为何系统素能特异性激活茉莉酸途径介导的抗虫防御，而其他免疫信号则不能。

这项研究的重要发现在于：1)首次阐明PLL2在系统素信号通路中的核心作用；2)揭示SYR1-PLL2-H⁺-ATPase轴是系统素信号区别于其他免疫途径的关键；3)发现植物利用同一磷酸酶的不同调控方式实现信号通路的特异性。与拟南芥中PLL4/5通过磷酸化解除对PRRs的抑制不同，番茄PLL2通过去磷酸化激活执行功能，这种"阴阳"调控模式展现了植物信号网络的精巧演化。

该研究不仅解决了植物免疫领域长期存在的关键科学问题，还为作物抗虫育种提供了新的分子靶点。通过调控PLL2活性或H⁺-ATPase磷酸化状态，有望开发出增强作物抗虫性的新策略。此外，研究所建立的系统素信号模型也为理解其他植物肽激素的作用机制提供了重要参考。