植物源揮發(fā)有機(jī)物（volatile organic compounds, VOCs）在植物間通訊和防御逆境方面發(fā)揮重要作用，但其分子機(jī)制大都未知。β-石竹烯（β-caryophyllene, BCP）是一種VOC，它能被松樹(shù)、擬南芥、水稻、玉米等植物分泌，參與植物防御生物脅迫和非生物脅迫。在擬南芥中，BCP通過(guò)茉莉酸（JA）通路發(fā)揮作用，積累的JA及其衍生物可促進(jìn)BCP的生物合成；在煙草中，發(fā)現(xiàn)TOPLESS家族轉(zhuǎn)錄共抑制因子（TPL/TPR）是BCP的靶點(diǎn)。然而，BCP如何與TPL/TPR互作、如何通過(guò)JA通路發(fā)揮作用的機(jī)制仍然未知。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉俊峰/王冬立團(tuán)隊(duì)聯(lián)合云南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱書(shū)生團(tuán)隊(duì)在Plant, Cell & Environment在線(xiàn)發(fā)表了題為β-Caryophyllene Competes with NINJA/IAAs for TOPLESS Family Corepressors to Regulate Plant Physiological Activities的研究論文，深入揭示了BCP調(diào)控植物激素信號(hào)的分子機(jī)制。

TPL/TPR有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：N端的TPD結(jié)構(gòu)域和C端兩個(gè)串聯(lián)的WD結(jié)構(gòu)域。由于WD結(jié)構(gòu)域通常作為骨架參與蛋白間互作，作者推測(cè)TPD參與BCP的互作。作者以水稻TPR2的TPD（OsTPR2-TPD）為研究對(duì)象，以BCP的代謝物BCPO作為對(duì)照（圖1A）。通過(guò)分子對(duì)接和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)BCP結(jié)合在OsTPR2-TPD表面的疏水口袋（圖1B），并通過(guò)單點(diǎn)突變和表面等離子共振（SPR）進(jìn)行了驗(yàn)證（圖1C）。已知該疏水口袋用于結(jié)合JA通路的轉(zhuǎn)錄抑制因子NINJA和生長(zhǎng)素通路的轉(zhuǎn)錄抑制因子IAA1/IAA10。結(jié)構(gòu)疊加發(fā)現(xiàn)，BCP和NINJA、IAA1/IAA10結(jié)合在OsTPR2-TPD的同一位置（圖1D），且BCP的結(jié)合強(qiáng)于NINJA、IAA1/IAA10（圖1E），SPR實(shí)驗(yàn)表明BCP可將NINJA和IAA1/IAA10從OsTPR2-TPD競(jìng)爭(zhēng)下來(lái)（圖1F）。進(jìn)一步地，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明BCP可誘導(dǎo)水稻對(duì)稻瘟菌的抗性（圖1G），可影響植物的JA/IA-Ile和IAA水平（圖1H），以及JA和生長(zhǎng)素信號(hào)通路基因的表達(dá)水平（圖1I）。與之不同，獨(dú)角金內(nèi)酯（SL）的轉(zhuǎn)錄抑制因子D53也與OsTPR2-TPD互作，但BCP與OsTPR2-TPD的互作并不影響D53（圖1D-E）。

圖1 BCP在植物中的作用

(A) BCP和BCPO的結(jié)構(gòu)式。(B-C) BCP與OsTPR2-TPD的復(fù)合物結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證。(D-F) BCP與NINJA、IAA1/IAA10的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)及驗(yàn)證。(G) BCP誘導(dǎo)水稻對(duì)稻瘟菌的抗性。(H) BCP影響植物的激素水平。(I)BCP影響植物JA和生長(zhǎng)素信號(hào)通路基因的表達(dá)。

綜上，BCP通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合TPL/TPR以調(diào)節(jié)JA或IAA的信號(hào)，從而促進(jìn)植物對(duì)生物和非生物脅迫的防御能力；JA及其衍生物可傳遞到相鄰植株、促進(jìn)BCP的生物合成，進(jìn)而形成了BCP-TPR/TPL-JA/auxin-植物抗性以及植物間通訊的閉環(huán)（圖2）。

圖2 BCP促進(jìn)植物免疫和通訊的模型

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士生李賽杰為該論文第一作者, 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院劉俊峰教授和王冬立副教授為該論文共同通訊作者。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱書(shū)生教授和葉辰博士對(duì)本項(xiàng)研究提供了重要協(xié)助。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才發(fā)展計(jì)劃的支持。

論文鏈接：

http://doi.org/10.1111/pce.70561