湿度驱动的ABA代谢调控植物与病原菌叶片水势竞争新机制

《Nature Communications》：Humidity-driven ABA depletion determines plant-pathogen competition for leaf water

本研究针对高湿环境下植物如何抵御病原菌诱导的水浸现象这一关键问题，开展了植物-病原菌水分竞争机制的主题研究。研究人员发现拟南芥通过CNGC2/4/9-Ca2+-CAMTA3信号模块激活ABA水解酶CYP707A3表达，促进气孔开放以限制细菌水浸；而病原菌Pst DC3000则通过效应蛋白AvrPtoB抑制该防御通路。该研究揭示了植物湿度感应与免疫防御的交叉对话机制，为抗病育种提供了新靶点。

　　

在自然界中，植物叶片表面经常凝结着清晨的露珠或雨后的水滴，这些高湿度环境虽然为植物生长提供了水分保障，却也成为细菌性病原菌滋生的温床。诸如丁香假单胞菌番茄致病变种（Pst）DC3000这类病原菌，能够利用高湿度条件在植物叶片的细胞间隙（质外体）中制造水浸环境，为自身繁殖创造有利的微环境。这种现象被称为"水浸现象"，是许多植物病害发生的关键步骤。

然而，面对病原菌的这种"水文攻击"，植物并非束手无策。科学家们发现，植物体内存在一套精密的防御系统来应对高湿度环境下的病原菌侵袭。特别是植物激素脱落酸（ABA）的代谢平衡，在这场水势争夺战中扮演着关键角色。ABA通常被称为"应激激素"，在干旱条件下能促使气孔关闭以减少水分流失。但在高湿度环境下，植物如何调整ABA水平来防御病原菌，以及病原菌又如何反击植物的这种防御机制，这些科学问题一直困扰着研究人员。

近期发表在《Nature Communications》上的一项研究，揭开了这场微观水战争的神秘面纱。由Yasuda等人开展的研究工作，系统阐明了植物通过感知湿度变化来激活ABA代谢通路，从而抵抗病原菌水浸侵袭的分子机制，同时揭示了病原菌如何通过效应蛋白破坏这一防御体系的对抗策略。

研究人员主要运用了分子遗传学、植物病理学、活体钙成像、转录组学和激素检测等技术方法。通过构建多种基因突变体植株，结合病原菌接种实验，分析了湿度响应基因的表达模式；利用GCaMP3钙离子指示蛋白实时监测细胞钙信号变化；采用RNA测序技术全面解析湿度处理的转录组动态；并通过液相色谱-串联质谱法精确测定植物内源激素含量。

CYP707A3是高湿度下抵抗细菌水浸所必需的

研究发现，高湿度处理能在0.5小时内快速诱导拟南芥中ABA分解酶基因CYP707A1和CYP707A3的表达。通过分析cyp707a系列突变体，研究人员证实CYP707A3在抵抗细菌水浸中起主导作用，而CYP707A1起辅助作用。在cyp707a1 cyp707a3双突变体中，高湿度诱导的ABA降解完全被抑制，植株表现出持续的高ABA积累和严重的水浸现象。

CYP707A3介导的水浸抗性依赖于气孔开放

研究团队通过引入ost2-3D突变（一种能构成性促进气孔开放的质膜H⁺-ATPase突变），证实了CYP707A3通过调节气孔开度来限制水浸的形成。在cyp707a1 cyp707a3 ost2-3D三突变体中，即使ABA代谢受损，组成性气孔开放也能有效抑制水浸现象并限制细菌生长。

ABA耗竭在高湿度下独立于SA增强细菌抗性

通过将cyp707a1 cyp707a3与sid2-2（SA合成缺陷突变）杂交，研究发现水杨酸（SA）信号并非CYP707A3介导的水浸抗性所必需。同时，ABA合成缺陷突变体aao3在高湿度下能有效限制Pst DC3000诱导的水浸，且这一效应不依赖于SA信号，表明在高湿度环境下ABA耗竭 confers的抗性独立于SA-ABA拮抗作用。

全局转录组分析揭示CAMTA结合基序在高湿度诱导基因中的富集

RNA测序分析发现，高湿度处理早期（0.5小时）和晚期（5小时）的转录组响应存在显著差异。顺式调控元件分析显示，CAMTA转录因子结合基序（CGCG-box）在高湿度早期诱导基因中显著富集，提示CAMTA家族转录因子在湿度响应中起关键调控作用。

高湿度通过细胞内Ca²⁺信号诱导CYP707A3表达

利用表达钙离子探针GCaMP3的转基因植株，研究团队直接观测到高湿度能在10分钟内引发叶片细胞质钙离子浓度升高。钙通道抑制剂实验证实，钙信号特异性参与CYP707A3而非CYP707A1的诱导表达。

CNGC2/4/9在高湿度诱导的CYP707A3表达中起关键作用

通过对环核苷酸门控离子通道（CNGC）家族成员的功能分析，研究发现CNGC2和CNGC4协同介导高湿度触发的钙内流，而CNGC9部分参与CYP707A3的诱导表达。

CAMTA3驱动CYP707A3表达、ABA耗竭和高湿度下的水浸抗性

研究人员利用功能缺失型CAMTA3-A855V变异体，证实CAMTA3转录活性是高湿度诱导CYP707A3表达、ABA降解和气孔开放所必需的。更重要的是，CAMTA3活性缺陷会导致植株在高湿度下丧失对细菌水浸的抗性。

Pst DC3000通过三型分泌系统效应蛋白抑制高湿度诱导的CYP707A3表达

病原菌接种实验表明，Pst DC3000能通过其效应蛋白库抑制高湿度诱导的CYP707A3表达，同时促进ABA合成关键酶NCED3的表达，从而维持高ABA水平以利于感染。

AvrPtoB参与抑制CYP707A3介导的水浸抗性

通过系统分析多种效应蛋白缺失菌株，研究锁定AvrPtoB为抑制CYP707A3表达的关键效应蛋白。转基因实验进一步证实，AvrPtoB的表达能特异性抑制CYP707A3的湿度诱导，破坏ABA耗竭和气孔开放，从而恢复细菌的水浸能力。

该研究最终构建了一个完整的信号传导模型：高湿度通过激活CNGC2/4/9介导的钙内流，促使CAMTA3转录因子诱导CYP707A3表达，加速ABA分解，促进气孔开放，从而限制病原菌的水浸形成；而Pst DC3000则通过效应蛋白AvrPtoB抑制这一防御通路，同时促进ABA合成，维持有利于感染的高ABA环境。

这项研究的重要意义在于首次揭示了植物通过感知湿度变化来预激活防御机制的科学原理，阐明了植物与病原菌围绕叶片水势控制的分子博弈策略。研究发现的CNGC2/4/9-CAMTA3-CYP707A3信号模块不仅深化了人们对植物环境适应机制的理解，也为开发新型抗病育种策略提供了重要靶点。特别是在全球气候变化导致极端天气频发的背景下，理解植物如何协调环境信号与免疫应答，对于保障农业生产和粮食安全具有深远影响。