叶酸代谢如何影响植物免疫？——独立于SA信号通路的植物免疫机制

为应对外界生物和非生物胁迫，植物进化出多种机制提高自身的免疫，例如，加强细胞壁结构性防御；活性氧爆发诱导HR；信号传导如乙烯通路调节，以及其他病程相关激素调控等。鉴于高等植物复杂的代谢活动，有很多未知的途径有待进一步挖掘，其中氨基酸代谢也是组成植物免疫系统的一部分【1】。

表观遗传学自上世纪五十年代被发现以来，已经被广泛的研究和关注，特别是已被证明在植物免疫系统调控中发挥作用【2】。DNA 甲基化是研究最为广泛也最为深入的表观修饰之一，与植物的生长发育和胁迫适应性有关，而表观修饰如DNA甲基化和组蛋白修饰均受初级代谢产物控制酶活的调节【3】。

近日，Molecular Plant 在线发表了一篇题为Folate Metabolism Interferes Plant Immunity through 1C Methionine Synthase-directed Genome-wide DNA Methylation Enhancement 的研究论文，报道了叶酸代谢途径的1C甲硫氨酸合成酶通过影响全基因组DNA甲基化水平干扰植物免疫的新机制。

研究人员首先利用化学遗传学和正向遗传学的方法鉴定到磺酰胺类化合物（sulfonamides）在植物免疫中发挥作用，之后发现磺酰胺类化合物可以促进MPK3和MPK6的磷酸化激活反应，且大部分磺酰胺类化合物（SB/SMZ/DAP/STH/SCH/SMTH/SDZ/SMTH）与茉莉酸（SA）信号通路有关，但是如SGN、SNL并没有影响SA通路中PR1蛋白的表达，证明了磺酰胺类化合物可以作为初级免疫反应的激动剂。研究人员以磺酰胺类化合物SDZ（Sulfadiazine）作为对象，发现其可以增强拟南芥对P.s. DC3000的抗性。磺酰胺类化合物是氨基苯甲酸（p-aminobenzoic acid，pABA）的结构类似物，可以竞争性抑制二氢蝶酸合成酶（dihydropteroate synthase, DHPS），进而导致二氢蝶酸合成受限；由于二氢蝶酸是叶酸生物合成关键步骤四氢叶酸形成的中间型前体，所以很可能磺酰胺类化合物影响了叶酸的合成途径，进而导致植物抗病。随后的研究发现，外施磺酰胺类化合物SMZ提高了植物的抗性，而外施叶酸使植物更加感病，这说明植物下调叶酸代谢可能是植物免疫调节中的一环。

因为新发现的免疫途径很可能独立于SA通路之外，研究人员运用比较蛋白组学发现甲硫氨酸合成酶（Methionine synthase, METS1）独立于SA通路，与宿主免疫相关。METS1是叶酸辅助因子 5-methyl-THF-Glu2催化的one-carbon（1C）代谢途径中关键的酶，可以催化甲硫氨酸（Met）合成，而Met后面转化为为甲基转移酶反应中提供甲基的腺苷甲硫氨酸（SAM）。进一步研究发现，METS1过表达植株的抗病性增强，通过bisulfite-sequencing（BS-seq）技术发现MEST1过表达植株整体DNA甲基化水平平均高于WT，尤其在中心体周围，而DC3000侵染能够降低植株甲基化水平，说明依赖于THF的1C代谢途径是植物调节适应外界压力的一部分。

本研究发现了独立于SA信号通路之外的新的植物免疫机制，即叶酸代谢途径的1C甲硫氨酸合成酶通过提高全基因组甲基化水平干扰植物免疫，为表观遗传学与抗病信号传导之间的联系提供了新的证据，拓宽了我们对宿主代谢机制参与免疫调节的认识，为其他抗病机制的研究和作物抗病品种培育提供了借鉴。

参考文献

1.Zeier, J. (2013). New insights into the regulation of plant immunity by amino acid metabolic pathways. Plant, cell & environment 36:2085-2103. doi:10.1111/pce.12122

2.Yu, A., Lepere, G., Jay, F., Wang, J., Bapaume, L., Wang, Y., Abraham, A.L.,

Penterman, J., Fischer, R.L., Voinnet, O., et al. (2013). Dynamics and biological relevance of DNA demethylation in Arabidopsis antibacterial defense.Proc Natl Acad Sci  U S A 110:2389-2394. doi:10.1073/pnas.1211757110

3.Shen, Y., Issakidis-Bourguet, E., and Zhou, D.X. (2016). Perspectives on the interactions between metabolism, redox, and epigenetics in plants. J Exp Bot 67:5291-5300. doi:10.1093/jxb/erw310

原文链接：

www.cell.com/action/showPdf?pii=S1674-2052%2819%2930163-7