BUI1协调肌动蛋白细胞骨架重塑与活性氧（ROS）稳态以赋予水稻广谱抗病性

《Stress Biology》：BUI1 coordinates actin cytoskeleton remodeling and ROS homeostasis to confer broad-spectrum disease resistance in rice

　　

细胞骨架作为动态的细胞内部结构支架，使细胞能够快速响应生物和非生物胁迫。在植物先天免疫期间，细胞骨架会发生显著的肌动蛋白重塑。利用水稻-稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）病理系统，研究人员证明模式触发免疫（PTI）诱导了快速且瞬时的肌动蛋白丝重组，该过程依赖于II类成蛋白BENT UPPERMOST INTERNODE1（BUI1）。使用latrunculin B破坏肌动蛋白丝显著增强了宿主对稻瘟病菌M. oryzae的易感性。重要的是，bui1突变体不仅对稻瘟病表现出抗性受损，还对白叶枯病菌Xanthomonas oryzae pv. oryzae和纹枯病菌Rhizoctonia solani的抗性降低。研究人员发现，这种对多种病原体的易感性增强源于bui1中增加的ROS清除活性，这是由过氧化物酶编码基因的上调介导的，并导致H2O2积累减少。此外，遗传分析表明，BUI1作用于免疫抑制因子RESISTANCE OF RICE TO DISEASES1（ROD1）的下游，因为bui1突变损害了rod1介导的广谱抗性。研究人员的发现确立了BUI1作为在植物-病原体相互作用期间将细胞骨架重组与受体介导的免疫信号传导和ROS稳态联系起来的关键调节因子，为肌动蛋白动力学与植物防御机制的整合提供了新的见解。

研究背景与科学问题

水稻是全球重要的粮食作物，但其生产力持续受到稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）、白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）和纹枯病菌（Rhizoctonia solani）等多种毁灭性病原菌的威胁。植物通过模式触发免疫（PTI）来抵御病原入侵，其中细胞骨架的动态重组是关键环节。然而，在病原体入侵过程中，系统性细胞骨架重塑与免疫信号传导的具体协调机制仍不清楚。BENT UPPERMOST INTERNODE1（BUI1）是水稻中一个已知的II类成蛋白，主要参与肌动蛋白组织和形态发生，但其在植物防御中的作用尚不明确。本研究旨在揭示BUI1是否通过介导肌动蛋白重塑参与免疫信号传导及其与病原体感知和下游反应的关联。

关键技术与方法

本研究主要采用化学处理、遗传材料构建、病原体接种评价、细胞成像、转录组分析和生化检测等技术手段。研究人员利用actin聚合抑制剂latrunculin B（LatB）处理水稻幼苗，评估细胞骨架破坏对抗病性的影响。通过CRISPR-Cas9技术构建了不同背景的BUI1敲除和过表达株系。针对稻瘟病菌、白叶枯病菌和纹枯病菌进行了系统的接种实验和田间抗性评估。利用AlexaFluor488-phalloidin染色和共聚焦显微镜观察肌动蛋白丝的动态变化。通过RNA测序（RNA-seq）和定量实时PCR（qRT-PCR）分析基因表达谱。采用DAB染色和过氧化氢（H₂O₂）含量测定试剂盒检测体内ROS水平，并利用过氧化物酶活性测定试剂盒评估抗氧化酶活性。

研究结果

Actin polymerization is required for blast resistance in rice

肌动蛋白聚合是水稻抗稻瘟病所必需的。研究人员发现，用LatB预处理水稻幼苗会显著增加其对稻瘟病菌TH12的易感性，且这种效应呈剂量依赖性。进一步分析表明，LatB介导的肌动蛋白解聚广泛抑制了防御激素通路，包括水杨酸（SA）通路的OsPAL1、OsICS1和PR4基因，以及茉莉酸/乙烯（JA/ET）通路的OsAOS2和OsERF1基因。这些结果表明肌动蛋白解聚会损害宿主免疫力。

BUI1 mutation reduces resistance to rice blast

BUI1突变降低了水稻对稻瘟病的抗性。研究人员观察到，与野生型ZJ22相比，bui1突变体在打孔接种TH12后病斑面积显著增大，且在稻瘟病圃田间试验中表现出显著降低的抗性。利用GFP标记的稻瘟病菌监测感染过程发现，bui1突变体叶鞘细胞上的附着胞形成效率和成熟率均高于野生型，表明BUI1通过抑制附着胞发育来增强抗病性。此外，BUI1的表达在稻瘟病菌接种后显著上调。

BUI1 is essential for PAMP-triggered actin reorganization

BUI1对于PAMP触发的肌动蛋白重组至关重要。研究人员通过Phalloidin染色发现，经几丁质或flg22处理后，野生型ZJ22叶鞘细胞中肌动蛋白丝密度显著增加并发生成束现象，而这一反应在bui1突变体中明显减弱。在稻瘟病菌TH12接种后，野生型细胞在感染部位积累了致密的肌动蛋白束，而bui1突变体则未能引发这种防御相关的重塑。这证明了BUI1在PAMP诱导的肌动蛋白重组中的核心作用。

BUI1 mutation compromises resistance to multiple pathogens in rice

BUI1突变损害了水稻对多种病原体的抗性。除了稻瘟病，研究人员还发现BUI1在抵抗其他主要病原菌中也发挥关键作用。在白叶枯病菌PXO99A接种实验中，bui1突变体表现出更长的病斑，而BUI1过表达株系则表现出增强的抗性。由于ZJ22对纹枯病敏感性有限，研究人员在NIPB背景下构建了CR-bui1/NIPB株系，发现其比野生型更易感染纹枯病。这些结果表明BUI1是水稻抗多种真菌和细菌病原菌的基础抗性的关键因子。

Mutation in bui1 partially abolishes enhanced disease resistance of rod1 plants

bui1突变部分消除了rod1植株增强的抗病性。ROD1是一个负调控水稻免疫的Ca²⁺传感器。研究人员构建了CR-bui1/rod1双突变体，发现虽然双突变体仍比野生型TP309更具抗性，但其原本由rod1介导的对稻瘟病、白叶枯病和纹枯病的强广谱抗性被显著削弱。DAB染色和H₂O₂含量测定显示，CR-bui1/rod1中的ROS水平低于rod1单突变体。酵母双杂交实验未检测到BUI1与ROD1或OsCatB的直接相互作用，表明BUI1可能通过协调肌动蛋白重塑和ROS信号传导作用于ROD1下游。

BUI1 mutation attenuates immunity responses by enhancing ROS scavenging

BUI1突变通过增强ROS清除作用削弱了免疫反应。RNA-seq分析显示，在稻瘟病菌感染后，bui1突变体中与过氧化物酶活性和ROS解毒相关的基因（如OsPOD、POXA、OsCatB、OsMT1d和OsMT1f）显著上调。qRT-PCR证实，虽然ROS产生基因（RbohA、RbohB）表达无显著变化，但ROS清除酶编码基因的表达大幅上调。与此一致的是，CR-bui1/TP309植株表现出更高的过氧化物酶活性和更低的H₂O₂积累。这表明BUI1主要通过靶向抑制清除途径来维持ROS稳态，从而促进有效的防御激活。

BUI1 regulates transcriptional reprogramming during bacterial infection

BUI1调控细菌感染期间的转录重编程。时间序列转录组分析发现，在白叶枯病菌PXO99A接种后，野生型ZJ22中大量基因被强烈诱导，涉及苯丙烷类生物合成、MAPK信号通路和植物-病原体互作通路。然而，这些早期防御反应在bui1突变体中未能被激活，突显了BUI1在协调抗细菌感染早期防御反应中的重要作用。

讨论与结论

讨论

本研究强调了肌动蛋白动力学在基础抗性中的决定性作用，并直接证明了在单子叶植物系统中肌动蛋白聚合对于抗稻瘟病是不可或缺的。研究发现，水稻肌动蛋白在暴露于细菌和真菌PAMP（如flg22和几丁质）后会发生显著重塑，而BUI1在这一过程中起着至关重要的作用。研究还揭示了肌动蛋白重塑与ROS调控之间的直接联系，即肌动蛋白聚合有助于增强抗病性，而bui1突变体中细胞骨架组织破坏会导致过氧化物酶活性增加和H₂O₂水平降低。此外，研究暗示肌动蛋白聚合不仅强化了基础防御，还可能通过调节SA、JA/ET通路来增强水稻对多种病原体的抗性。BUI1包含高度保守的PTEN、FH1和FH2结构域，其内在的固有无序区（IDRs）可能介导液-液相分离，这为未来探索其作为相分离 competent 的免疫调节因子奠定了基础。

结论

总之，bui1突变破坏了肌动蛋白细胞骨架重塑，从而损害了基础抗病性和rod1赋予的广谱抗性。BUI1作为模式触发免疫信号传导中的调节枢纽，并调节宿主ROS稳态。