前言

 

植物面临着免疫和生长之间的权衡，建立绿色、高产、优质作物仍具有挑战性。受体激酶RLK家族，参与植物免疫和生长的调控，并在信号感知和转导中发挥关键作用。RLK成员FERONIA（FER）负调节植物对土壤传播病原体的抗性，是植物土传病害防控潜在靶点。但尚无利用小分子操控RLK激酶活性以实现植物逆境和生长发育调控的理论探索和应用实践。

近日，湖南大学、岳麓山实验室于峰课题组联合湖南中烟技术中心蒲文宣团队在国际权威杂志Plant Biotechnology Journal（IF:13.263）发表了题为“A Screening of Inhibitors Targeting the Receptor Kinase FERONIA Reveals Small Molecules that Enhance Plant Root Immunity”的研究论文。本文高通量筛选出植物受体激酶（RLK）的重要成员FERONIA（FER）的小分子抑制剂，并揭示FER抑制剂可通过增强根部免疫来提高植物对土传病害的抗性。

 

 

研究背景

 

1. 高通量筛选FER激酶抑制剂

首先建立体外FER激酶抑制剂高通量筛选体系，以识别抑制FER激酶活性/自磷酸化的小分子，最终从1494个小分子中鉴定出33个可以高效抑制FER激酶活性（Fig. 1a）。基于三个FER家族蛋白HERK1-CD、ANJEA-CD和THE1-CD的激酶活性分析，reversine和lavendustin A为相对特异FER抑制剂，而cenisertib和staurosporine为非特异性抑制剂（Fig. 1b-d）。此外，这四种FER抑制剂可以在植物体内降低RALF1诱导的FER磷酸化，表明了FER抑制剂在植物中的潜在应用价值。

 

Fig1 |高通量筛选FERONIA激酶抑制剂

 

2. FER抑制剂通过靶向ATP口袋来抑制FER及其在多种作物中同源蛋白的激酶活性

将拟南芥FER和其他作物FER同源物进行了多序列比对，发现激酶结构域序列相似性极高，三维结构上的空间结构相似性均体现了FER在作物中的保守性（Fig. 2 a, b）。与FER抑制剂在动物系统中作为ATP竞争者的已有报道结果一致，本实验中，四种抑制剂均与FER或其同源物的ATP口袋连接良好（Fig. 2b）。这四种FER抑制剂也能高效抑制NtFER-CD的激酶活性（Fig. 2c）。

综合微量热泳动MST实验对四种抑制剂与FER结合亲和力的检测结果，表明抑制剂以浓度依赖的方式竞争性靶向激酶结构中的ATP口袋来抑制FER及其在多种作物中同源蛋白的激酶活性。

 

Fig2 | FER抑制剂靶向FER及其在作物中的同系物的ATP口袋

 

3. FER抑制剂在调节土传疾病和植物生长中的作用

为了验证FER抑制剂能否预防土壤传播疾病，作者先后选择拟南芥及典型作物，测试抑制剂对R. solanacearum引起的青枯病和M. incognita引起的水稻根结线虫病的防治效果。

 

结果表明，reversine、staurosporine和lavendustin A均能缓解烟草青枯病（Fig. 3a-d）；降低番茄对R. solanacearum的敏感性，其中lavendustin A表现出好的控制效果（Fig. 3e-g）；抑制水稻根结线虫病的发展，reversine和lavendustin A的预防效果优于staurosporine（Fig. 4a-d）。此外，FER突变体（fer-4）植株也表现出对青枯病的抗性。这些结果表明，FER负向调节了植物对青枯病的抗性。

 

Fig3 | FER抑制剂有效控制烟草和番茄青枯病

 

Fig4 | FER抑制剂缓解水稻根结线虫病，FER突变增强拟南芥对青枯病的抗性

 

与对照组相比，reversine对拟南芥Col-0幼苗根、叶的生长没有影响；staurosporine抑制根、叶的生长；而lavendustin A显著促进根、叶的生长（Fig. 5a）。同时测定fer-4根和叶的生长，发现staurosporine和lavendustin A的抑制和促进作用分别部分依赖于FER（Fig. 5a）。就作物生长而言，lavendustin A显著促进烟草茎叶和根的生长，reversine和staurosporine对烟草茎叶和根的生物量没有显著影响（Fig. 5b, c）。

 

水稻生物量数据显示，与对照相比，三种FER抑制剂均未引起水稻茎叶和根的生长变化（Fig. 5d, e）。因此，reversine、staurosporine和lavendustin A这三种FER抑制剂不会限制作物的正常生长。

 

Fig5 | FER抑制剂对植物生长的影响

 

4.FER抑制剂依赖FER增强植物根系免疫

为了了解FER抑制剂促进植物抵抗土传疾病的机制，作者在排除了抑制剂本身对病原体毒性可能性后，分析了植物根系免疫能力的变化。研究结果表明，reversine、staurosporine和lavendustin A显著增加了Col-0根中ROS的产生（Fig. 6a, b），且对ROS水平的增强部分依赖于FER（Fig. 6b）。这些抑制剂诱导MAPK磷酸化和根中抗性相关基因表达水平升高，并部分依赖于FER（Fig. 6c-f）。综合表明，FER抑制剂通过部分依赖于FER的机制增强植物根部先天免疫水平。

 

Fig6 | FER抑制剂依赖FER增强植物根系免疫

 

5. Lavendustin A和reverine促进烟草根中防御相关基因的表达

为了进一步探索FER抑制剂在不影响植物生长的情况下诱导作物根部抗病性的分子机制，作者通过RNA-seq分析了高效抑制剂lavendustin A和reversine处理4周龄烟草根部的转录组变化。与对照组相比，两种抑制剂处理的有981个共有差异表达基因（DEGs）（Fig. 7a），且差异趋势高度相似（Fig. 7 b）。

 

GO/KEGG富集分析结果显示，与免疫系统、抗氧化活性以及防御反应等相关基因表达上调，表明FER抑制剂lavendustin A和reverine可能通过促进防御相关基因的表达来增强烟草根部的免疫反应。此外，与生长相关的基因上调，解释了这两种抑制剂不影响作物生长。

 

Fig7 | Lavendustin A和reverine促进烟草根系中防御相关基因的表达

 

研究结论

在本研究中，首先通过体外激酶活性测定对FER激酶的小分子抑制剂进行了高通量筛选。FER抑制剂竞争性靶向激酶结构中的ATP口袋来抑制FER及其在多种作物中同源蛋白的激酶活性。进一步确认三个FER代表抑制剂reversine、staurosporine和lavendustin A可增强植物根系的防御系统，以有效防控土壤传播疾病，并且不会限制作物的正常生长。该研究结果有助于植物RLK激酶调控理论的发展，并为植物土传病害的绿色高效的综合防治提供新的策略。

 

湖南大学生物学院博士后刘红斌与湖南中烟技术中心李晓旭博士为本文的共同第一作者，湖南大学于峰教授、湖南中烟技术中心蒲文宣研究员和湖南大学陈佳副研究员为共同通讯作者。欧易生物在本研究中承担了转录组测序实验和分析工作。

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