多胺转运蛋白PUT2介导拟南芥系统获得性抗性的建立及其机制研究

本研究聚焦植物系统获得性抗性（SAR）建立过程中多胺转运的关键机制，揭示了拟南芥多胺摄取转运蛋白2（PUT2）在调控SAR中的核心作用。研究人员通过遗传学、转录组学和代谢组学方法，发现put2-1突变体丧失SAR能力但增强基础抗性，并证实PUT2介导的腐胺（Put）转运对远端组织水杨酸（SA）积累和ROS信号传导至关重要。该研究为植物免疫调控提供了新靶点，对作物抗病育种具有重要指导意义。

　　

植物在面对病原体侵袭时，能够通过局部感染激活系统获得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR），使未感染的远端组织获得对后续感染的广谱抗性。这一过程依赖于多种信号分子的协同作用，包括水杨酸（Salicylic Acid, SA）、N-羟基哌啶酸（N-hydroxypipecolic acid, NHP）以及活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）等。然而，多胺（polyamines）作为一类具有多个氨基的脂肪族化合物，在植物生长、发育和应激响应中扮演重要角色，但其在SAR中的具体作用机制，尤其是多胺转运过程是否参与系统免疫信号的传递，仍不清楚。

为了解决这一问题，来自墨西哥圣路易斯波托西自治大学（Universidad Autónoma de San Luis Potosí）的研究团队在《Plant Stress》上发表了一项研究，系统探讨了拟南芥（Arabidopsis thaliana）多胺摄取转运蛋白（Polyamine Uptake Transporter, PUT）家族成员在SAR建立中的作用。研究发现，PUT2基因的缺失突变体put2-1虽然表现出增强的基础抗性，但完全丧失了SAR能力，而该基因的过表达株系则表现出更强的抗病性。这一发现揭示了多胺转运在系统免疫中的关键作用。

为了开展这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法：首先通过T-DNA插入突变体筛选和过表达株系构建获得遗传材料；利用Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000（Pst）感染模型诱导SAR；通过RNA-seq转录组分析和qPCR验证差异表达基因；采用UHPLC-MS/MS定量分析多胺和酚类化合物；结合组织化学染色、发光法检测ROS爆发以及气孔开度分析，全面评估了免疫表型及相关信号通路的变化。

3.1. AtPUT2是SAR建立所必需但对基础抗性非必需

研究人员评估了PUT家族五个单突变体在SAR诱导条件下的表型。结果显示，put2-1、put4-1和put5-1突变体均丧失SAR能力，其中put2-1表型最为显著：其在局部预接种Pst后，系统叶片中的细菌载量反而高于未预接种的对照组，表明SAR完全缺失。相反，put2-1在未预接种条件下表现出增强的基础抗性。而过表达株系35S::PUT2则表现出更强的系统抗性。

3.2. put2-1突变体丧失广谱SAR能力

通过Botrytis cinerea（Bc）接种实验，发现野生型植株经Pst预接种后系统叶片对Bc的抗性显著增强，而put2-1突变体则未能建立这种广谱抗性，表明PUT2缺失影响了SAR对非相关病原体的防护作用。

3.3. 转录组分析揭示put2-1突变体防御相关基因表达紊乱

RNA-seq分析显示，在SAR条件下，put2-1突变体中与SA合成、信号传导及NHP代谢相关的基因（如ICS1、ALD1、FMO1等）表达显著失调。这些基因在野生型中受腐胺（Put）诱导上调，而在put2-1中该诱导作用消失，表明PUT2介导的多胺转运对SAR相关基因的表达调控至关重要。

3.4. put2-1突变体中SA和SAR标记基因表达异常

qPCR分析进一步证实，put2-1在未接种状态下即高表达SA合成及响应基因（如PAD4、SARD1、PR1），但经Pst预接种后，其表达模式与野生型相反，提示PUT2缺失导致SAR相关基因的时相性表达紊乱。

3.5. AtPUT2依赖腐胺调控SAR标记基因表达

局部渗透腐胺（Put）可诱导野生型植株系统叶片中SAR标记基因（如ICS1、PR1、FMO1）表达上调，并降低细菌载量，而该效应在put2-1中完全消失，说明PUT2介导的腐胺转运是激活系统免疫信号的前提。

3.6. 局部腐胺处理降低系统组织细菌载量

腐胺局部处理可模拟SAR表型，显著降低野生型和35S::PUT2过表达株系系统叶片中的Pst载量，但对put2-1无效，进一步证实PUT2在腐胺介导的系统抗性中的必要性。

3.7. put2-1突变体腐胺动员能力受损

代谢组学分析显示，野生型植株局部渗透腐胺后，系统叶片中腐胺水平迅速升高，而put2-1中该过程受阻，同时高阶多胺（如精胺Spm）积累异常，表明PUT2缺失影响了多胺的系统运输与代谢平衡。

3.8. 腐胺调控系统组织SA水平

腐胺局部处理可诱导野生型系统叶片中SA及其糖苷（SAG）积累，而put2-1中该响应延迟且强度减弱，表明PUT2介导的腐胺运输对系统SA水平的调控具有重要作用。

3.9. put2-1的SAR缺陷与多胺稳态紊乱相关

put2-1突变体中多胺代谢紊乱，表现为腐胺缺乏而高阶多胺过度积累，且与SA、SAG等酚类物质含量呈负相关，提示多胺稳态失衡可能是其SAR缺陷的重要原因。

3.10. put2-1突变体ROS积累和气孔免疫受损

组织化学染色和发光法检测表明，put2-1在SAR条件下ROS积累能力减弱，flg22诱导的ROS爆发和气孔关闭反应均显著弱于野生型，说明PUT2缺失影响了ROS信号传导和气孔免疫响应。

结论与意义

本研究系统阐明了拟南芥多胺摄取转运蛋白PUT2在系统获得性抗性建立中的核心作用。PUT2通过介导腐胺的系统转运，调控远端组织中SA积累、ROS信号传导以及SAR相关基因的适时表达，从而确保SAR的有效建立。put2-1突变体虽增强基础抗性，但因多胺运输缺陷导致SAR完全丧失，且伴随多胺代谢紊乱、ROS信号减弱和气孔免疫响应异常。该研究不仅揭示了多胺转运在植物免疫中的新功能，还为作物抗病育种提供了潜在靶点。