摘要：植物利用包括激素和短肽在內(nèi)的各種內(nèi)源信號分子,調(diào)節(jié)自身生長發(fā)育和對各種環(huán)境脅迫的抗性反應(yīng)。Pep是植物細胞產(chǎn)生的一類由二十多個氨基酸構(gòu)成的短肽分子,在被子植物中普遍存在。Pep能夠被植物細胞膜上的受體蛋白PEPR識別,進而發(fā)揮多種生物學功能。目前的研究表明,Pep既在植物抵抗原菌侵染、昆蟲噬咬等生物脅迫以及高鹽等非生物脅迫中發(fā)揮重要作用,也調(diào)控著根生長、葉片衰老等植物生長發(fā)育過程。綜述了近年來關(guān)于Pep的產(chǎn)生、受體識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其生物學功能等方面的研究進展,并對該領(lǐng)域尚待解決的一些科學問題和可能的實際應(yīng)用方向進行了討論和展望,以期為相關(guān)研究者提供參考。
在自然界中,病原菌侵染、昆蟲啃食、機械損傷等各種不利環(huán)境因素時刻威脅著植物的生存,而植物往往能夠利用一些外源或內(nèi)源信號分子,識別并有效應(yīng)對這些生物或非生物脅迫[1,2,3]。這些信號分子包括來源于病原菌的病原菌相關(guān)分子模式PAMP（pathogen-associated molecular patterns,PAMP）[4,5]和來源于植物自身的損傷相關(guān)分子模式（danger-associated molecular patterns,DAMP）[4]。PAMP和DAMP可以被定位于質(zhì)膜的模式識別受體（pattern recognition receptors,PRRs）識別[6],進而觸發(fā)植物抗性反應(yīng)。近年來,在植物中發(fā)現(xiàn)一類新型短肽Pep,可以作為一種DAMP分子,調(diào)控植物免疫。Pep在大多數(shù)被子植物中廣泛存在,包括一些重要的農(nóng)作物中,如玉米、水稻、番茄等[7,8,9]。一些研究表明,Pep可以正調(diào)控植物對細菌、真菌以及食草動物等的抗性[7,10-13]。此外也有研究發(fā)現(xiàn),Pep在植物生長發(fā)育[14,15]和非生物脅迫響應(yīng)[16,17]中也發(fā)揮重要的調(diào)控功能。本文將對近年來Pep相關(guān)的一些研究進展進行綜述,并對該領(lǐng)域尚待解決的一些科學問題和可能的應(yīng)用方向進行展望,以期對相關(guān)研究者有所啟發(fā)。
1 Pep的產(chǎn)生
擬南芥8個AtPROPEP基因在不同組織中的表達模式大致可分為兩類：AtPROPEP1/2/3/5/8主要在根中表達,在葉脈管系統(tǒng)中少量表達;而AtPROPEP4和AtPROPEP7僅在根尖中表達[19]。正常條件下,AtPROPEP基因的啟動子幾乎是不活躍的[21],但植物在受到外界刺激時,這些前體蛋白編碼基因會被顯著誘導(dǎo)。例如,損傷可以誘導(dǎo)AtPROPEPR1/2/3/5/8的表達;flg22、MeJA（methy jasmonate）和NaCl誘導(dǎo)能夠誘導(dǎo)AtPROPEP1和AtPROPEP3的表達。此外,AtPep1也可以誘導(dǎo)AtPROPEP1和AtPROPEP3的表達[22],說明Pep信號途徑可能存在一定的正反饋調(diào)節(jié)。除了組織表達特異性之外,不同的AtPROPEP蛋白的亞細胞定位也存在一定差異,例如AtPROPEP1和AtPROPEP6定位于液泡膜上,而AtPROPEPR3定位在胞漿中[19]。
植物細胞中Pep如何由其前體蛋白加工而來,目前還不是十分清楚�，F(xiàn)有的研究提示,植物損傷后胞內(nèi)鈣離子濃度上升,激活相關(guān)蛋白酶,導(dǎo)致前體蛋白被蛋白酶切割,從而釋放成熟短肽。在擬南芥中,當幼苗受到機械損傷后,產(chǎn)生的AtPep1可以在30 s內(nèi)被檢測到,并在5 min內(nèi)達到峰值,說明損傷誘導(dǎo)的Pep的產(chǎn)生是十分迅速的。蛋白酶抑制劑篩選實驗表明,前體蛋白的切割可能是由半胱氨酸蛋白酶Metacaspase介導(dǎo)的[23]。在擬南芥中,Metacaspase蛋白家族包括9個成員,根據(jù)所含結(jié)構(gòu)域的不同可分為兩種類型：Ⅰ型Metacaspase包括MC1-MC3,它們同時含有N端的pro-domain和C端的caspase-like domain,其中MC1與MC2可以相互拮抗的調(diào)控細胞程序性死亡[24];Ⅱ型Metacaspase包括MC4-MC9,它們含有caspase-like domain,但缺失pro-domain。在擬南芥原生質(zhì)體中共表達Ⅱ型Metacaspase（MC4-MC9）能夠促進PROPEP1的切割,說明Ⅱ型Metacaspase在由Pep的成熟過程中發(fā)揮重要作用[25]。Ⅱ型Metacaspase能夠在精氨酸殘基和賴氨酸殘基后切割底物蛋白,其蛋白酶活性大多數(shù)依賴于適當?shù)腃a2+濃度[26]。當植物處于靜息狀態(tài)時,胞質(zhì)中的Ca2+濃度較低,半胱氨酸蛋白酶 MC4處于無活性或低活性狀態(tài);而當植物受到損傷后,胞質(zhì)中的Ca2+濃度上升,MC4被激活,從而切割PROPEP形成成熟短肽Pep[23]。
2 Pep的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
在植物中,質(zhì)膜定位的模式識別受體PRR負責識別感知DAMP和PAMP,觸發(fā)植物免疫。PRRs由許多類受體激酶（receptor-like kinase,RLK）和類受體蛋白（receptor-like proteins,RLP）組成[6]。
2006年,Yamaguchi等[20]鑒定到AtPep1的受體AtPEPR1。AtPEPR1是一個富含亮氨酸重復(fù)序列的受體激酶（LRR-RLK）。2010年,Yamaguchi等[13]進一步鑒定到AtPep的另一個受體AtPEPR2。AtPEPR2也屬于LRR-RLK,與AtPEPR1共同介導(dǎo)擬南芥對Pep的感知。AtPEPR1和AtPEPR2的組織表達模式相似,均主要在根（除了根尖）中表達,同時在其他組織中也有較低水平的表達[19,27]。AtPEPR1和AtPEPR2的表達受損傷、MeJA和多種PAMP分子的誘導(dǎo),同時也可受Pep誘導(dǎo),但不同的Pep對這2個受體基因的誘導(dǎo)強度不同。例如AtPep1-AtPep3是PEPR1的強誘導(dǎo)子,而AtPep4和AtPep5對AtPEPR1、AtPEPR2的誘導(dǎo)作用較弱;AtPep6對AtPEPR1有較弱的誘導(dǎo),但是對AtPEPR2無影響[13]。不同的AtPep對AtPEPR1和AtPEPR2的誘導(dǎo)程度不同暗示著,AtPEPR1和AtPEPR2可能在介導(dǎo)不同Pep的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中存在一定的分工。確實,在擬南芥中AtPEPR對Pep的識別具有一定的特異性。AtPEPR1能夠識別所有的AtPep,而AtPEPR2則主要識別AtPep1和AtPep2[13,19,21]。此外,也有研究表明AtPEPR1和AtPEPR2介導(dǎo)的Pep信號轉(zhuǎn)導(dǎo)需要具有胞外結(jié)構(gòu)域的受體激酶BAK1和一些沒有胞外結(jié)構(gòu)域的類受體胞質(zhì)激酶（如BIK1和PBL1）的參與[28]。
Pep-PEPR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體系在不同植物中顯示出一定的不相容性,AtPep1只能被擬南芥及其近緣的植物識別,不能被親緣關(guān)系較遠的植物所識別。但Pep-PEPR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體系在不同植物中也具有一定的保守性：用擬南芥AtPep1、番茄SlPep6和玉米ZmPep1分別處理瞬時表達AtPEPR1、SlPEPR1和ZmPEPR1a的煙草葉片,都能夠激活下游信號通路,說明受體PEPR下游的激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊具有較強的保守性[8]。
受體復(fù)合體的內(nèi)吞在植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)揮重要作用[30]。有研究表明,Pep與受體PEPR結(jié)合之后也會發(fā)生內(nèi)吞,且這種內(nèi)吞對Pep的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有重要作用。Ortiz-Morea等[31]利用熒光標記的Pep（TAMRA-pep）證實了Pep的內(nèi)吞依賴于PEPR：AtPep1可以被野生型擬南芥的根細胞內(nèi)吞,但不能被pepr1pepr2突變體的根細胞內(nèi)吞。進一步研究發(fā)現(xiàn),AtPep1-AtPEPR1復(fù)合體的內(nèi)吞依賴于網(wǎng)格蛋白（clathrin）。在網(wǎng)格蛋白突變體chc2（clathrin heavy chain 2）中,AtPep1的內(nèi)吞作用受到抑制,且對AtPep1的響應(yīng)程度減弱。2020年Collins等[32]發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格蛋白銜接子EPSIN1（EPS1）可以調(diào)節(jié)AtPEPR1等模式識別受體和共受體BAK1在細胞膜上的積累,從而影響Pep等免疫信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。
3 Pep的生物學功能
3.1.1 抑制植物生長 外源施加AtPep1能夠明顯抑制植物生長。在擬南芥Pep的兩個受體中AtPEPR2在介導(dǎo)AtPep1的根系生長抑制起主導(dǎo)作用[15,33-34]。Col-0和pepr1對AtPep1的根生長抑制效應(yīng)具有相似的敏感性,但pepr2單突變體和pepr1pepr2雙突變體的根則對AtPep1幾乎完全不敏感。轉(zhuǎn)錄組分析也發(fā)現(xiàn),根中AtPep1調(diào)控的基因中有75%基因表達完全依賴于AtPEPR2[8,27]。
除與植物激素途徑互作外,Pep對植物根生長的抑制作用也可能與ROS及氨基酸的合成相關(guān)。Kadota等[36]發(fā)現(xiàn),AtPEPR2結(jié)合AtPep1后,能夠磷酸化BIK1（botrytis-induced kinase 1）,BIK1能夠進一步磷酸化并激活ROS合成途徑中兩個關(guān)鍵酶RBOHD和RBOHDF,從而促進ROS生成,抑制根系生長[37]。2014年Ma等[27]發(fā)現(xiàn),AtPep1能夠抑制谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白（glutamine dumpers genes,GDU）介導(dǎo)的氨基酸外排,導(dǎo)致氨基酸在根細胞中過度積累,從而抑制根生長;過表達GDU3的擬南芥表現(xiàn)出短根的表型,并對AtPep1介導(dǎo)的根生長抑制效應(yīng)不敏感。
3.1.2 調(diào)控衰老 Pep可以通過誘導(dǎo)葉綠素降解和自噬,加速黑暗或者饑餓誘導(dǎo)的葉片衰老。外源Pep處理能夠加速野生型擬南芥葉片黃化,而對pepr1pepr2雙突變體植株則沒有效果。黑暗或饑餓處理可以誘導(dǎo)AtPep3的前體蛋白編碼基因AtPROPEP3的表達,而AtPep3能夠快速誘導(dǎo)葉綠素降解基因PAO以及自噬基因APG7和APG8a的表達,激活葉綠素降解和自噬途徑[14]。
3.2.1 非生物脅迫 AtPep3正調(diào)控植物耐鹽反應(yīng)。在鹽脅迫處理下,AtPROPEP3基因的表達顯著上調(diào)。外源施加AtPep3可以抑制鹽脅迫下的幼苗葉片白化,提高擬南芥的耐鹽性,而AtPROPEP3基因的敲除突變體則對鹽脅迫超敏。進一步研究表明,AtPep3對植物耐鹽性的促進作用主要由AtPEPR1介導(dǎo)。AtPep3處理能夠提高野生型擬南芥或pepr2單突變體的耐鹽性,但對pepr1和pepr1pepr2雙突變體卻沒有效果[17]。此外,鹽脅迫能夠強烈誘導(dǎo)葉片中AtPROPEP3和AtPEPR1的表達,這也佐證了AtPep3與AtPEPR1在調(diào)控植物耐鹽性中的作用[21]。然而,AtPep3/AtPEPR1如何調(diào)控植物耐鹽性還有待進一步研究。
3.2.2 生物脅迫 Pep能夠正調(diào)控植物對多種細菌和真菌的抗性。擬南芥pepr1和pepr2單突變體以及pepr1pepr2雙突變體對丁香假單胞菌Pst DC3000的抗性明顯弱于野生型植物[13]。有研究表明,Pep可以通過調(diào)節(jié)氣孔開閉狀態(tài),影響植物對丁香假單胞菌的抗性。當野生型擬南芥中受到Pst DC3000侵染時,AtPEPR1或AtPEPR2識別Pep并招募共受體BAK1,然后磷酸化并激活下游BIK1�；罨腂IK1從受體復(fù)合物中釋放,激活保衛(wèi)細胞S型陰離子通道SLAC1（SLOW ANION CHANNEL1）和SLAH3（SLAC1 HOMOLOG3）,導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。而pepr1pepr2突變體受到Pst DC3000侵染時,其葉片上的氣孔不能及時關(guān)閉,導(dǎo)致其更加感病[38]。此外,AtPep1也可以增強植物對腐生型病原菌灰霉菌（Botrytis cinerea）的抗性[28]。
Pep調(diào)控植物免疫的功能在雙子葉和單子葉植物中似乎是保守的。玉米Pep分子ZmPep1與AtPep1存在很多功能上的相似性。ZmPep1處理可以誘導(dǎo)茉莉素和乙烯的合成,促進相關(guān)防御基因的表達,提高玉米對南方葉枯�。╯outhern leaf blight）以及炭疽�。╝nthracnose stalk rot）的抗性[7]。此外,昆蟲口腔分泌物處理能夠誘導(dǎo)ZmPROPEP1和ZmPROPEP3的表達,且外源施加ZmPep3能夠提高植物對食草動物的抗性。
4 總結(jié)與展望
植物在自然環(huán)境中的生長往往會受到各種生物或非生物脅迫的影響。植物為適應(yīng)環(huán)境,進化出一系列的防御機制以應(yīng)對這些脅迫[39,40,41]。Pep作為新近鑒定到的一類在被子植物中普遍存在內(nèi)源短肽分子,在植物的生長發(fā)育和抗性反應(yīng)中都表現(xiàn)出重要的調(diào)節(jié)作用。本文綜述了Pep的產(chǎn)生和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,介紹了Pep對根的生長、葉片衰老等植物生長發(fā)育過程的調(diào)控,并闡述了Pep在植物應(yīng)對病原菌、昆蟲、高鹽等生物和非生物脅迫中的作用。
盡管我們對Pep的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和生物學功能已有不少了解,但目前仍有許多問題有待進一步探究。比如,（1）Pep作為植物細胞內(nèi)產(chǎn)生的一種內(nèi)源短肽,是如何釋放到胞外空間的;（2）在擬南芥中,不同Pep與受體PEPR之間的結(jié)合表現(xiàn)出了一定的特異性,這種特異性的生化基礎(chǔ)和生物學意義是什么;（3）Pep-PEPR受體復(fù)合物的內(nèi)吞是如何影響下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的;（4）Pep在植物中能否長距離移動,是否可作為一種系統(tǒng)性防御信號;（5）在機械損傷或昆蟲噬咬過程中,Pep信號與JA、ROS、鈣離子等信號的時序關(guān)系是怎樣的,又是如何相互作用的;（6）Pep短肽的代謝或降解機制;（7）在擬南芥中,干擾ROS或Auxin信號途徑不能完全模擬Pep對根生長的抑制作用[15,37],那么還有哪些其他的信號途徑參與Pep介導(dǎo)的植物生長抑制;（8）Pep-PEPR在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和抗性反應(yīng)中都發(fā)揮著重要作用,這兩方面的作用是如何平衡的。
近年來,除Pep外,有越來越多的短肽類植物內(nèi)源信號分子被發(fā)現(xiàn),它們分別在植物生長發(fā)育或抗性等方面發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)作用。如：CLV2短肽能夠調(diào)控不同溫度下擬南芥花的發(fā)育[42],而RALF短肽則可以調(diào)控植物根的生長[43]和抗性[44]等。對Pep的系統(tǒng)研究,不僅能夠拓展和深入人們對Pep系列短肽分子功能和作用機制的認識,也將為其他類型植物短肽的研究提供范例。此外,外源施加Pep在提高植物耐鹽性和病原菌及昆蟲抗性等方面展現(xiàn)出了較顯著的效果,且這種作用在不同種類的植物中可能相對保守,在農(nóng)作物中具有潛在的應(yīng)用價值。因此,隨著多肽商業(yè)合成成本的下降,Pep等短肽類分子有望作為一種新型植物生長調(diào)節(jié)劑或生物農(nóng)藥,應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
免責聲明：本文為行業(yè)交流學習，版權(quán)歸原作者及原雜志所有，如有侵權(quán)，可聯(lián)系刪除。文章標注有作者及文章出處，如需閱讀原文及參考文獻，可閱讀原雜志
