茉莉酸转运蛋白的发现及其在系统伤害抗性中传递系统信号的功能分析

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与动物产生获得性内在免疫(acquired innate immunity)类似,植物受到胁迫时,不仅可以在受害局部产生抗性,还可以在未受害的部位获得广谱和持久的系统抗性。根据局部受害的类型,植物系统抗性可分为由病原菌诱导的系统获得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)、由非病原菌诱导的系统诱导性抗性(induced systemic resistance, ISR)和由机械伤害、昆虫啃食诱导的系统伤害抗性(systemic wound resistance, SWR)。氧化酯类植物激素茉莉酸类物质(jasmonates,JAs)在植物对生物及非生物逆境的局部响应中起关键作用,也是诱导植物系统抗性所必需的。然而在茉莉酸介导的植物系统抗性中,茉莉酸是否可以作为系统信号及其传递机制尚不清楚。本研究利用外源茉莉酸对酵母细胞的抑制作用,筛选得到了两个具有茉莉酸转运活性的ABC转运蛋白AtJAT1和AtJAT2。利用3H-JA与转基因酵母共培养的吸收和外排实验,在酵母细胞中证明了 AtJAT1和AtJAT2是茉莉酸的外运蛋白,而且其外运活性受到ABC转运蛋白特异性抑制剂和溶液pH的影响,推测质子化的JAH是AtJAT1和AtJAT2的主要运输底物。启动子一GUS融合表达显示,AtJAT1和AtJAT2的启动子在拟南芥幼苗的根、下胚轴、子叶和真叶的维管束以及叶片保卫细胞中具有较强活性;在拟南芥花期,则在萼片和花丝的维管组织及柱头中具有较强活性。荧光定量RT-PCR的结果证明AtJAT1和AtJAT12的表达依赖于植物内源茉莉酸。GFP (绿色荧光蛋白)融合蛋白的亚细胞定位研究发现,AtJAT1-GFP和AtJAT2-GFP主要定位于拟南芥叶片气孔保卫细胞和幼苗根部维管组织的韧皮部细胞。AtJAT1和AtJAT2的组织和亚细胞定位与其转运茉莉酸的功能相一致。我们在拟南芥悬浮细胞中对AtJAT1和AtJAT2的生化功能及生化特性进行了深入研究。从拟南芥野生型、AtJAT1和AtJAT2基因缺失型植物、超表达和功能互补转基因植物的幼苗根尖诱导愈伤组织并建立悬浮细胞。在拟南芥悬浮细胞中,3H-JA转运实验证明AtJAT1和AtJAT2是茉莉酸的内运蛋白。酶动力学特征分析表明AtJAT1和AtJAT2对茉莉酸有高亲和性,并对茉莉酸类物质(JA、MeJA、JA-Ile和Coronatine)及其合成前体(Linolenic acid和OPDA)有广泛的底物运输活性。利用HPLC-MS/MS测得伤害条件下拟南芥局部伤害部位及系统部位JA和JA-Ile的含量;用荧光定量RT-PCR分析了伤害初级响应基因OPR3和JAZ5和JAZ7的表达。与野生型相比,突变体中无论是JA和JA-Ile的含量还是伤害初级响应基因的表达都降低,而在超表达植株中则增加。这些结果说明AtJAT1和AtJAT2对维持系统部位茉莉酸的浓度及调节信号响应起关键的作用。另外,3H-JA在AtJAT1和AtJAT2的缺失型突变体和超表达转基因植物中的系统运输结果说明,AtJAT1和AtJAT2影响茉莉酸在植物体内由局部伤害部位向系统部位的运输。据此,我们提出了在植物系统伤害抗性中,通过AtJAT1和AtJAT2内运蛋白吸收茉莉酸来维持韧皮部细胞中茉莉酸的关键浓度,进而通过信号自我扩增过程来实现系统信号传递的模型。本研究首次发现了茉莉酸的转运蛋白AtJAT1和AtJAT2,并分析了其生理、生化特性。更重要的是,发现了 ATJAT1和AtJAT2对系统伤害抗性中的系统信号传递具有重要作用。我们在酵母细胞中建立的茉莉酸转运蛋白筛选系统为筛选其它植物激素的转运蛋白提供了新的平台。另外,我们提出的茉莉酸系统信号的传递模型对研究其他弱酸系统信号的传递机制具有重要的借鉴意义。我们的发现为阐明在植物生态互作中茉莉酸的转运机制奠定了基础,也可为培育作物抗性品种提供新的途径。
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