豌豆内层核膜SUN结构域蛋白通过调控核动态调节植物（非）生物胁迫响应

《Molecular Plant Pathology》：The Pea Inner Nuclear Membrane SUN Domain Protein Modulates Plant (a)biotic Stress Responses by Regulating Nuclear Dynamics

本综述系统阐述了植物内层核膜SUN蛋白在调控核形态、定位及基因表达中的核心作用。作者通过基因沉默和过表达技术，首次在豌豆和拟南芥模型中证实PsSUN蛋白定位于INM，通过影响病原体诱导的核定位重排、核形态变化及防御基因表达，进而调控植物对白粉菌的抗性。研究发现PsSUN与核纤层蛋白KAKU4互作共同维持NE结构完整性，其异常表达会引发NE变形并激活SA、ABA等胁迫响应通路。该研究为解析核膜蛋白通过核动态调控植物免疫的分子机制提供了重要理论依据。

　　

摘要

植物内层核膜SUN蛋白在发育和环境胁迫条件下对维持核形态、定位及基因表达至关重要。本研究鉴定并表征了豌豆C末端SUN蛋白PsSUN，通过基因沉默和过表达策略证明其定位于INM，调控病原体诱导的核定位、核形态及防御基因表达。PsSUN沉默增加核圆形度和球形度，损害核向真菌侵染位点的重定位，并抑制白粉菌生长。PsSUN过表达引起核膜变形，增强防御基因表达和病原体抗性，同时提高植物非生物胁迫响应基因表达和ABA敏感性。PsSUN与拟南芥核纤层蛋白KAKU4互作影响二者在核周定位及NE结构，表明SUN和核纤层协同调控植物NE结构和胁迫响应。

1 引言

在真核生物中，核膜是分隔基因组DNA与细胞质的双膜结构，由INM和ONM组成，通过核孔复合体相连。NE不仅是物理屏障，更是核运输、核质信号、基因调控和基因组组织的关键调控平台。SUN蛋白作为INM关键组分，与ONM相关KASH蛋白在核周间隙形成LINC复合体，连接细胞骨架与核纤层/染色质，在核运动、形态、染色质动态和基因表达中发挥核心作用。植物SUN蛋白分为C-ter SUNs和Mid-SUNs两类，其中C-ter SUNs在拟南芥、玉米、水稻等物种中参与核形态维持、核运动、减数分裂和端粒重定位等过程。近期研究表明SUN蛋白可能参与植物-微生物互作，如苜蓿SUN蛋白调控根毛核形态运动及根瘤菌侵染线形成。本团队前期发现豌豆白粉菌侵染早期宿主核会重定位至侵染位点，本研究在此基础上深入解析豌豆C-ter SUN蛋白在病原诱导核重定位中的作用及其对核形态和基因表达的影响。

2 结果

2.1 豌豆C末端SUN蛋白显示INM定位且在E. pisi侵染早期转录诱导

通过序列比对鉴定出豌豆基因组编码一个C-ter SUN蛋白（PsSUN）和三个mid-SUN蛋白。PsSUN包含SUN结构域、卷曲螺旋域、跨膜域和核定位信号，与AtSUN1/2和MtSUN分别具有49.69%、48.51%和79.79%的序列一致性。系统发育分析显示PsSUN与鹰嘴豆、百脉根等豆科植物SUN蛋白亲缘最近。瞬时表达实验证实PsSUN-RFP与INM标记蛋白AtPNET2B-GFP在核周共定位。启动子分析发现PsSUN包含多种胁迫响应顺式元件。在白粉菌侵染过程中，PsSUN转录水平在12 hpi（穿透尝试期）下调，24 hpi（初级吸器形成期）上调1.7倍，72 hpi（菌丝形成期）再次下降，该表达模式与核运动时序一致。

2.2 PsSUN沉默影响E. pisi侵染诱导的宿主核运动、初级吸器形成和核形态

利用病毒诱导基因沉默技术使PsSUN表达降低76%，特异性沉默验证显示无脱靶效应。共聚焦成像显示沉默植株在24 hpi时核与真菌附着胞的X指数和Z指数显著高于对照，表明核重定位受阻。真菌发育分析发现PsSUN沉默叶片中65%分生孢子停滞在附着胞阶段（对照为26%），仅36%形成吸器（对照77%）。防御基因表达分析未发现显著变化，提示表型可能直接源于核定位缺陷。核形态计量学显示沉默植株核圆形度（0.96 vs 0.92）、球形度（0.95 vs 0.91）显著增加，核面积和体积减小。

2.3 PsSUN强过表达引起核膜变形、防御基因转录诱导及E. pisi生长抑制

瞬时过表达PsSUN-GFP显示核膜定位，根据表达量分为低过表达（<50倍）和高过表达（>50倍）。仅高过表达叶片中60%分生孢子停滞在附着胞阶段（对照40%），且PAL、ICS1、PR1等防御基因显著诱导。约18%高过表达细胞核出现NE凹陷变形，提示PsSUN过量表达破坏NE完整性。

2.4 PsSUN在拟南芥中稳定过表达导致NE变形

构建三个独立过表达株系L1、L5和L8，均显示营养生长迟缓和开花延迟。核形态分析发现L1和L8株系核球形度降低，但三个株系均出现NE内陷和环状结构变形，比例分别为85%、62%和80%。

2.5 PsSUN过表达诱导（非）生物胁迫响应基因转录

RNA-Seq分析鉴定出L1、L5和L8株系分别有534、380和481个差异表达基因，其中161个为三系共同差异基因。GO富集显示这些基因显著富集于生物胁迫（SAR、先天免疫、SA响应）和非生物胁迫（缺水、ABA响应、渗透胁迫）相关通路。RT-qPCR验证结果与测序数据高度相关（r=0.82）。

2.6 PsSUN过表达植株显示高游离SA水平及对细菌病原体抗性增强

SA通路基因（ICS1、PBS3、S3H）、PR基因（PR1/2/5）及NHP合成基因（ALD1、FMO1）在过表达株系中上调。LC-MS检测证实过表达植株游离SA含量显著高于野生型和空载体对照。接种Pseudomonas syringae后，过表达株系对强毒和弱毒菌株的抗性均增强。

2.7 PsSUN过表达植株对ABA超敏感

ABA信号通路基因（RD20、RD26、LEA4-5、MYB2、NHL6）在过表达株系中诱导。外源ABA处理下，过表达株系根长显著抑制，表明ABA敏感性增强。

2.8 PsSUN与拟南芥核纤层蛋白KAKU4在NE互作

BiFC和Y2H实验证实PsSUN与KAKU4在核周直接互作。KAKU4功能缺失突变体与PsSUN过表达株系在胁迫响应通路上存在显著重叠，提示二者功能关联。

2.9 AtKAKU4和PsSUN表达水平影响AtKAKU4定位、NE结构及基因表达

在野生型拟南芥中，原生启动子驱动的KAKU4-RFP主要定位于NE（87%细胞），而过表达PsSUN使KAKU4定位变为NE+核质（80%细胞）。共过表达PsSUN和KAKU4加剧NE变形（Type II和III比例达48%），且防御基因（PR1、FRK1等）表达显著诱导，表明核纤层蛋白异常定位与胁迫基因激活相关。

3 讨论

3.1 PsSUN通过调控宿主核运动及防御基因表达影响白粉菌易感性

PsSUN表达动态与真菌侵染进程同步，其沉默抑制核重定位和吸器形成，而过表达通过激活防御通路抑制病原生长。本研究首次揭示SUN蛋白在豆科植物-白粉菌互作中通过核动态调控病原定殖的双重作用，为理解核定位在植物免疫中的功能提供新视角。

3.2 PsSUN调控核形态及NE结构

沉默导致核变圆变小，过表达引起NE变形，表明PsSUN表达水平精确调控NE完整性。该现象与KAKU4、PNET2等INM蛋白过表达表型相似，提示NE结构稳定性依赖于核膜-核纤层网络平衡。

3.3 PsSUN调控（非）生物胁迫响应基因转录

转录组分析显示过表达株系激活SA、NHP、camalexin等防御通路及ABA响应通路，与crwn、kaku4等核纤层突变体表型重叠，表明核周蛋白异常表达通过改变染色质空间组织引发胁迫基因转录重编程。

3.4 PsSUN过表达通过影响核纤层蛋白定位调控NE结构及胁迫响应

PsSUN与KAKU4互作并影响其核周定位，共过表达导致核纤层蛋白核质异位和NE严重变形。核纤层蛋白空间分布改变可能通过染色质组织变化间接激活胁迫基因，建立核形态-基因表达调控新范式。

4 实验方法

研究采用分子克隆、VIGS、瞬时转化、转基因构建、共聚焦显微镜、RNA-Seq、LC-MS、病原接种、BiFC、Y2H等实验技术，系统解析PsSUN在植物胁迫响应中的功能网络。

（注：以上内容严格依据原文数据及结论缩编，未添加任何非原文信息）