寄生植物通过RGF信号通路新功能化驱动吸器器官发生的机制研究

本刊推荐：为解决寄生植物吸器发育内部信号机制不明的问题，研究人员聚焦RGF（根分生组织生长因子）肽信号通路，发现寄生植物日本松蒿(Phtheirospermum japonicum)中特异性表达的PjRGF2和PjRGF5能诱导吸器原基形成，并通过激活受体PjRGFR1/3调控YUC3介导的auxin生物合成。该研究揭示了植物寄生性进化中新信号通路的协同机制，为防治寄生杂草提供了新靶点。

　　

寄生植物在植物界中形成了独特的生存策略，它们通过特殊的寄生器官——吸器（haustorium）与宿主植物建立连接，从而获取水分、矿物质和养分。吸器的发育对寄生植物的生存至关重要，尤其是在专性寄生植物中。然而，尽管宿主衍生的吸器诱导因子（HIFs）如DMBQ（2,6-二甲氧基-p-苯醌）已被广泛研究，调控吸器发育的内部信号机制仍不清楚。目前存在的问题包括：HIF感知后下游信号通路如何激活？哪些内源因子直接调控吸器原基（prehaustorium）的形成？以及这些机制在寄生植物中是否保守？

为了回答这些问题，研究人员以日本松蒿（Phtheirospermum japonicum）和独脚金（Striga hermonthica）为模型，开展了关于RGF（根分生组织生长因子）肽信号通路在吸器器官发生中作用的研究。研究发现，寄生植物通过新功能化RGF信号通路，驱动吸器的从头器官发生，这一成果发表在《Science Advances》上。

研究采用了多种关键技术方法，包括：RNA测序（RNA-seq）分析DMBQ处理后的转录组变化；CRISPR-Cas9介导的基因敲除（knockout）验证基因功能；启动子驱动的荧光报告系统（如3×Venus-NLS）观察基因空间表达；农杆菌（Agrobacterium）介导的毛状根转化（hairy root transformation）进行体内功能研究；体外肽处理实验评估吸器诱导活性；Western blot和受体嵌合体（PjRGFR-BRI1 chimera） assay检测配体-受体互作；系统发育分析（phylogenetic analysis）追溯基因进化轨迹。样本来源包括日本松蒿和独脚金的幼苗及转基因材料。

RGF peptides are up-regulated during haustorium induction

通过RNA-seq分析，研究人员发现DMBQ处理可诱导PjRGF1、PjRGF2和PjRGF5的表达上调。RT-qPCR进一步证实，PjRGF2和PjRGF5在宿主植物烟草（Nicotiana benthamiana）渗出物处理下也显著诱导。独脚金中的同源基因ShRGF2同样受DMBQ诱导，表明RGF肽在寄生植物中可能具有保守功能。

RGF peptides induce prehaustoria in parasitic plants

合成肽处理实验显示，PjRGF1、PjRGF2和PjRGF5能在无宿主情况下诱导日本松蒿吸器原基形成，其中PjRGF2活性最强（有效浓度5 nM）。独脚金中ShRGF2同样具有吸器诱导活性。这些肽处理还上调了auxin生物合成关键基因PjYUC3的表达，并引起DR5报告基因在吸器顶端表皮细胞中激活，表明RGF肽通过调控局部auxin合成促进吸器发育。

PjRGF2 and PjRGF5 expression localizes to the prehaustorium

启动子报告系统揭示，PjRGF2和PjRGF5的启动子在DMBQ处理或宿主感染后特异性地在吸器原基中表达，而PjRGF1启动子则无此特异性。PjRGF2在吸器顶端表达，PjRGF5在表皮细胞表达，提示二者在吸器发育中可能具有时空特异性功能。

PjPLT localizes to the prehaustorium

研究发现，超氧化物阴离子（O₂^?）在吸器原基中积累，且PLT2同源蛋白PjPLT在DMBQ或RGF肽处理后定位到吸器区域。这表明RGF肽可能通过O₂^?介导的PLT稳定化机制调控吸器发育，类似于其在根分生组织维持中的作用。

PjRGF5 underwent a series of segmental tandem duplication events

基因组分析发现，PjRGF5通过节段串联重复（segmental tandem duplication）产生了多个拷贝，部分为假基因。系统发育显示PjRGF2在列当科（Orobanchaceae）中保守存在，而PjRGF5可能为日本松蒿近期进化产物，反映了基因新功能化（neofunctionalization）在寄生适应中的作用。

Several PjRGFRs are expressed in the prehaustorium

日本松蒿基因组编码6个RGF受体（PjRGFRs），其中PjRGFR1、PjRGFR2、PjRGFR4和PjRGFR5的启动子在吸器中表达。受体嵌合体 assay 显示PjRGF2激活PjRGFR1、PjRGFR3和PjRGFR4，而PjRGF5激活PjRGFR3和PjRGFR4，表明受体存在功能冗余和特异性。

PjRGFR1 and PjRGFR3 are positive regulators of prehaustorium formation

CRISPR敲除实验表明，PjRGFR1和PjRGFR3缺失显著减少DMBQ诱导的吸器形成，而PjRGF2或PjRGFR2敲除导致吸器顶端细胞分裂异常。这些结果证实RGF信号通路在吸器发育中具有多层次调控作用。

研究结论与意义

本研究首次揭示了RGF肽作为内源信号分子在寄生植物吸器发育中的关键作用。PjRGF2和PjRGF5通过激活特定受体（PjRGFR1和PjRGFR3）上调YUC3介导的auxin生物合成，驱动吸器原基形成。此外，基因复制和新功能化事件（如PjRGF5的串联重复）促进了寄生适应性的进化。该研究不仅阐明了吸器发育的信号通路，还为控制寄生杂草（如独脚金和列当）提供了潜在分子靶点（如RGF肽及其受体），对农业可持续发展具有重要意义。