寄生植物通过根分生组织生长因子（RGF）信号通路调控吸器发育的机制与演化研究

本研究揭示了寄生植物吸器发育的关键内源信号机制。研究人员发现寄生植物日本松蒿（Phtheirospermum japonicum）通过RGF肽及其受体RGFR介导的信号通路，在宿主诱导因子DMBQ触发后激活YUC3介导的auxin生物合成，从而调控吸器器官发生。该发现阐明了植物寄生性进化中的信号通路创新，为防治寄生杂草提供了新靶点。

　　

在植物界，寄生现象独立进化了12-13次，约1%的被子植物成为根或茎寄生虫。寄生植物通过特化的吸器器官与宿主建立直接连接，从而获取水分、矿物质和养分。吸器发育起始于宿主接触后快速发生的预吸器形成，随后经历侵入细胞穿透宿主组织，最终建立维管连接的过程。然而，在宿主衍生诱导因子（如DMBQ）触发初始信号后，调控吸器发育的内源信号通路仍不清楚。

为解决这一科学问题，研究人员以列当科（Orobanchaceae）兼性寄生植物日本松蒿（Phtheirospermum japonicum）和专性寄生植物独脚金（Striga hermonthica）为模型，开展了关于根分生组织生长因子（RGF）肽信号在吸器发育中作用机制的研究。研究发现，DMBQ处理显著诱导了PjRGF1、PjRGF2和PjRGF5的表达，这些RGF肽处理可在无宿主情况下诱导预吸器形成，并上调auxin生物合成关键基因PjYUC3的表达。通过启动子表达分析发现PjRGF2和PjRGF5特异表达于预吸器部位，而CRISPR介导的PjRGFR1和PjRGFR3敲除显著减少了DMBQ诱导的预吸器形成。系统发育分析表明PjRGF2在列当科中广泛保守，而PjRGF5通过节段串联复制近期进化产生。该研究确立了RGF肽及其受体作为吸器发育信号通路的关键组分，为理解植物寄生性的进化轨迹提供了新见解。研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》。

研究采用的主要技术方法包括：RNA测序（RNA-seq）分析DMBQ处理的转录组响应；逆转录定量PCR（RT-qPCR）检测基因表达；寄生植物毛根转化体系实现基因功能研究；CRISPR-Cas9基因编辑技术构建突变体；启动子-报告基因（3×Venus-NLS）系统分析时空表达；嵌合受体（PjRGFR-BRI1）激活试验验证配体-受体互作；Confocal显微镜进行细胞学观察。

RGF peptides are up-regulated during haustorium induction

通过RNA-seq分析发现DMBQ处理上调PjRGF1表达，进一步鉴定出13个推定RGF编码基因。RT-qPCR证实DMBQ和宿主烟草渗出液分别特异性诱导PjRGF1/2/5和PjRGF2/5表达。独脚金中同源基因ShRGF2同样受DMBQ诱导，表明RGF肽在列当科中具有保守功能。

RGF peptides induce prehaustoria in parasitic plants

外源施加PjRGF1、PjRGF2或PjRGF5可诱导预吸器形成，并上调PjYUC3表达。DR5报告系统显示PjRGF2处理与DMBQ和宿主感染类似，引起auxin响应在预吸器顶端表皮细胞定位。ShRGF2同样在独脚金中诱导预吸器形成。

PjRGF2 and PjRGF5 expression localizes to the prehaustorium

启动子表达分析显示PjRGF2和PjRGF5在DMBQ处理和宿主感染后特异表达于预吸器，而PjRGF1在整个根部表皮组成性表达。早期时间点（6小时）显示PjRGF2在过渡区表皮和皮层表达，PjRGF5在过渡区表达增强。

PjPLT localizes to the prehaustorium

超氧化物（O₂^?）在预吸器积累，且PLT同源蛋白PjPLT在DMBQ处理、RGF肽处理和宿主感染后定位到预吸器。表达模式受翻译后调控，表明RGF信号通过稳定PLT蛋白调控发育。

PjRGF5 underwent a series of segmental tandem duplication events

基因组分析发现PjRGF5通过串联复制产生多个拷贝，与转座元件相关。系统发育显示PjRGF2在列当科中保守存在，而PjRGF5与非同源RGF肽聚类，表明其通过近期进化获得功能。

Several PjRGFRs are expressed in the prehaustorium

鉴定出6个PjRGFRs，启动子表达显示多个受体在预吸器有特异性表达。嵌合受体实验表明PjRGFR1、PjRGFR3和PjRGFR4可被PjRGF2激活，PjRGFR3和PjRGFR4被PjRGF5激活。

PjRGFR1 and PjRGFR3 are positive regulators of prehaustorium formation

CRISPR敲除实验证明PjRGFR1和PjRGFR3缺失显著降低预吸器形成，而PjRGF2和PjRGFR2敲除引起预吸器顶端细胞分裂异常，表明RGF信号通路调控多个发育阶段。

研究结论表明，RGF肽作为内源信号分子，在寄生植物吸器发育中发挥核心作用。该信号通路位于DMBQ感知下游和YUC3介导的auxin生物合成上游，通过多个受体（RGFR1/RGFR3）介导的冗余信号调控器官发生。研究发现PjRGF2和PjRGF5通过不同进化轨迹获得功能：PjRGF2广泛保守于列当科，而PjRG5通过近期串联复制和新功能化产生。该研究揭示了寄生植物如何创新利用保守的RGF信号通路实现寄生性生活方式的进化适应，为理解植物寄生性演化提供了分子框架，并对防治农业寄生杂草具有重要应用价值。

研究局限性包括毛根转化体系难以实现多基因敲除以验证通路冗余性，以及稳定转化体系缺失限制了对PLT转录因子家族等多基因功能的深入解析。