SlCDPK12及其相互作用蛋白SlACS11在调控番茄对致病疫霉（Phytophthora infestans）抗性中的功能分析

《Journal of Plant Physiology》：Functional analysis of SlCDPK12 and its interacting protein SlACS11 in the regulation of tomato resistance to Phytophthora infestans

番茄对晚疫病（Phytophthora infestans）的抗性机制研究显示SlCDPK12通过激活PR基因表达和ROS积累增强宿主防御，其互作蛋白SlACS11负调控抗性。

　　

李艳|朱嘉轩|吕瑞丽|王正杰|李慧敏|杨瑞瑞|栾玉石

中国大连理工大学生物工程学院生物智能制造教育部重点实验室，大连，116024

摘要：

番茄（Solanum lycopersicum）是一种全球重要的经济蔬菜作物，但其生长和产量常常受到生物胁迫的限制。钙依赖性蛋白激酶（CDPKs）作为Ca²⁺信号通路的关键组成部分，在植物胁迫响应中起着至关重要的作用，并且在生物胁迫适应方面已被广泛研究。然而，CDPKs在番茄对晚疫病（Phytophthora infestans）抗性中的具体作用仍不清楚。在这项研究中，我们证明了SlCDPK12在番茄抗P. infestans中起正向调节作用。在易感晚疫病的ZaoFen No.2品种中过表达SlCDPK12显著增强了抗性。这种增强的抗性与致病相关（PR）基因的表达增加以及活性氧（ROS）的积累有关。通过酵母双杂交筛选，我们鉴定出SlACS11（1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）家族的成员）是SlCDPK12的候选相互作用蛋白。有趣的是，短暂沉默SlACS11也增强了番茄对P. infestans的抗性。总体而言，这项研究为番茄抗P. infestans的分子机制提供了新的见解，并有助于我们理解CDPK基因家族在植物-病原体相互作用中的生物学功能。

引言

番茄（Solanum lycopersicum）是全球最重要的园艺作物之一，也是分子研究的重要模式植物（Bjerring Jensen等人，2024年；Zhang等人，2024年）。由于其固着生长特性，番茄经常面临各种生物和非生物胁迫。在生物胁迫中，由Phytophthora infestans引起的晚疫病是对番茄生长和产量最具破坏性和严重性的卵菌病害（Cai等人，2025年）。Phytophthora infestans在寒冷潮湿条件下会影响番茄的所有生长阶段，显著降低番茄的质量和产量（Kamoun等人，2015年）。目前，番茄晚疫病主要通过化学杀菌剂来控制，但过度使用杀菌剂会引起环境问题并加速Phytophthora infestans的抗药性（Cai等人，2025年；Zhao等人，2025年）。因此，通过分子育种策略开发并采用抗病品种被认为是综合病害管理系统的关键组成部分。

植物进化出了多层次且精确调控的免疫系统来抵御病原体，主要包括模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）（Jones和Dangl，2006年；Liu等人，2025年；Zhao等人，2021年）。当模式识别受体（PRRs）如FLS2和EFR检测到病原体相关分子模式（PAMPs）时，PTI被激活，导致ROS爆发、MAPK激活和防御基因表达（Chinchilla等人，2006年；Zipfel等人，2006年）。为了对抗PTI，病原体会释放效应子，这些效应子被核苷酸结合和富含亮氨酸的重复序列受体（NLRs）特异性识别，从而激活ETI（Ngou等人，2022a）。最近的研究表明，PTI和ETI通过MAPK级联、钙流和ROS等共享途径相互连接并相互增强（Ngou等人，2022b；Yu等人，2024年；Yuan等人，2021年）。其中，钙信号在植物免疫中起着关键作用，因为病原体诱导的Ca²⁺流入被钙结合蛋白感知，这些蛋白将信号传递给下游的防御反应（Boudsocq等人，2010年；Thor等人，2020年；Wang和Luan，2024年；Wang和Chao等人，2024年）。钙通道和传感器共同构成了一个复杂的调控网络，精细调节植物的免疫反应。

在钙传感器中，钙依赖性蛋白激酶（CDPKs/CPKs）被确定为连接Ca²⁺信号与下游免疫反应的关键转导因子（K?ster等人，2022年；Yip Delormel和Boudsocq，2019年）。在水稻中，OsCPK17通过与OsRLCK176的相互作用正向调节对细菌性枯萎病和鞘枯病的抗性（Mou等人，2024年）。在马铃薯中，StCDPK16被认为是Rpi介导的对Phytophthora infestans抗性的正向调节因子（Zhao等人，2025年）。在辣椒中，CaCDPK29作为正向调节因子，增强了对Ralstonia solanacearum引起的细菌性萎蔫病的抗性（Yang等人，2022年）。在拟南芥中，CPK28通过与PUB25/26相互作用抑制它们的E3 ligase活性并促进免疫相关激酶BIK1的降解，并通过直接靶向PIP2;7（一种免疫正向调节因子）的保守残基来降低其稳定性（Wang等人，2018年；Zhu等人，2025年）。同时，在质膜上，泛素连接酶ATL31和ATL6与CPK28相互作用，促进其泛素化并通过26S蛋白酶体进行降解，从而精细调节免疫信号（Liu等人，2021年）。在番茄中，cpk28突变体表现出对细菌性叶斑病和真菌病害的抗性负向调节作用（Ding等人，2023年）。然而，我们目前对CDPKs在番茄抗P. infestans中的作用了解仍然有限。因此，筛选和进一步的功能表征番茄CDPKs对于推进这一领域的知识至关重要。

作为CDPKs的关键相互作用底物（Gravino等人，2015年；Huang等人，2013年；Wang和Chaojie等人，2024年），1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）是乙烯生物合成中的关键限速酶，属于一个多功能基因家族（Bleecker和Kende，2000年）。对ACS家族的功能研究主要集中在植物生长和发育上（El-Sharkawy等人，2007年）。例如，柑橘中的CiACS4可以通过抑制赤霉素合成来调节植物高度（Chu等人，2023年）。在拟南芥中，WRKY71通过直接激活EIN2、ORE1和ACS2基因来调节乙烯介导的叶片衰老（Yu等人，2021年）。然而，越来越多的证据表明ACS在生物胁迫响应中也起着重要作用（Kim等人，2003年；Yang等人，2019年）。例如，过表达OsACS2的转基因水稻表现出对稻瘟病和鞘枯病的增强抗性（Helliwell等人，2013年）。在木薯中，转录因子MeNF-YC15直接激活MeACO1的转录，从而促进乙烯生物合成并增强对Xanthomonas axonopodis pv. manihotis的抗性（Zheng等人，2024年）。在瓜苗中，红光通过CmPIF8-CmERF27-CmACS10模块增强对白粉病的抗性，其中CmERF27激活CmACS10的表达，CmACS10的上调促进了乙烯生物合成并增强了抗性（Wu等人，2024年）。最新的研究表明，CmRAP2-13抑制CmERF27和CmACS10的转录，从而调节幼苗对白粉病的抗性（Wu等人，2025年）。然而，ACS基因在番茄生物胁迫响应中的功能，特别是在抗P. infestans中的作用仍不清楚。

在这项研究中，我们表征了SlCDPK12的功能，并证明它作为番茄抗P. infestans的正向调节因子。此外，我们鉴定出SlACS11是SlCDPK12的相互作用伙伴。有趣的是，SlACS11在番茄抗P. infestans中表现出负向调节作用。基于这些发现，我们提出SlCDPK12和SlACS11形成了一个调节番茄对P. infestans防御反应的信号模块。我们的研究为CDPK介导的疾病抗性的分子机制提供了新的见解，并扩展了对植物-病原体相互作用的理解。

部分摘录

植物材料

本研究使用了番茄（Solanum lycopersicum cv. Zaofen No. 2）和烟草（Nicotiana benthamiana）。番茄种子经过表面灭菌，浸泡过夜后，在28°C下于湿润的滤纸上发芽，然后移栽到土壤中。植物在受控条件下生长（24-28°C，16小时光照/8小时黑暗的光周期）。使用5叶期的番茄幼苗进行病原体接种以及激素和CaCl₂处理。烟草幼苗在营养土中发芽。

鉴定对Phytophthora infestans有响应的CDPK家族基因

CDPKs在植物对各种胁迫的响应中起着关键作用。为了鉴定番茄中CDPK家族的潜在成员，我们使用隐藏马尔可夫模型（HMMs）对应于EF-hand结构域（PF00036）和CDPK特异性Ser/Thr激酶结构域（PF00069），并结合番茄蛋白质数据库（https://solgenomics.net/）进行了BLASTP分析。从最新版本的S. lycopersicum基因组中鉴定出28个CDPK家族成员

讨论

在植物中，CDPKs作为Ca²⁺传感器，不仅在非生物胁迫响应中发挥作用，也在生物胁迫防御中发挥作用。不同的CDPKs在不同植物物种中表现出不同的功能。在拟南芥中，CPK5增强了对细菌病原体Pst DC3000的抗性（Guerra等人，2020年），而CPK28则负向调节对Phytophthora capsici的抗性（Zhu等人，2025年）。在水稻中，OsCPK4和OsCPK10正向调节对稻瘟病的响应（Bundó和Coca，2016年；Fu等人，2013年）

结论

总之，这项研究提供了SlCDPK12在番茄抗P. infestans中的调控作用的机制见解。SlCDPK12通过增强PR基因的表达和调节ROS平衡来正向调节防御反应。此外，通过Y2H、pull-down和BiFC实验发现SlCDPK12直接与SlACS11相互作用。功能分析进一步表明SlACS11负向调节番茄对P. infestans的抗性。综上所述，这些发现

CRediT作者贡献声明

李慧敏：数据管理。杨瑞瑞：数据管理。吕瑞丽：资金获取，正式分析。王正杰：数据管理。李艳：写作——初稿，正式分析。朱嘉轩：写作——审稿与编辑，调查，正式分析。栾玉石：写作——审稿与编辑，监督，资源获取

未引用的参考文献

Chen等人，2009年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2018年；Wang等人，2025年；Zhao等人，2025年；Zhu等人，2025年；Zhu等人，2025年；Zhu等人，2025年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

本研究中生成和/或分析的数据集可根据合理请求从相应作者处获取。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32230091和32472738）和辽宁省自然科学基金（编号2025-BS-0039）的共同支持。作者感谢大连理工大学生物工程学院核心设施的协助。