超越系统素：ProSys (1-178)在番茄防御中的多重作用

《Plant Science》：Beyond Systemin: the multifaced role of ProSys (1-178) in tomato defense

　　

摘要

植物不断面临多种生物和非生物胁迫，它们通过基于识别内源和外源诱导子的精密免疫机制来对抗这些胁迫。番茄系统素（Sys）是从前系统素（ProSys）的C端区域释放出来的，是一种已知能激活茉莉酸（JA）依赖型防御反应的肽。相比之下，不含Sys肽的N端片段ProSys(1–178)最近被确认为一种独立的防御诱导子，可能涉及一条与Sys触发的JA信号不同的寡半乳糖醛酸（OG）介导的通路。在本研究中，我们结合ProSys(1–178)和全长ProSys（ProSysFL）转基因番茄的比较转录组学分析与肽处理植物的生物测定，研究了ProSys(1–178)相对于Sys引发的分子和生物反应。转录组学分析显示，ProSys(1–178)诱导了比ProSysFL广泛得多的转录重编程，两者仅有46个共同差异表达基因，且这些基因呈现相反的表达模式。两个转基因株系均赋予了对棉铃象甲和灰葡萄孢的抗性。此外，ProSys(1–178)和Sys的外源施用差异性地调节了局部和系统性防御相关基因的表达，并显著降低了灰葡萄孢病害严重程度。尽管Sys对真菌病原菌提供了更强的保护，但ProSys(1–178)调节了更广泛的防御相关基因集，表明激活了一条不同的免疫通路。多聚半乳糖醛酸酶基因的诱导，加上此前在ProSys(1–178)表达植物中检测到的短OGs，与该反应中存在OG相关组分的假说一致，但尚未确立因果关系。总体而言，我们的发现支持ProSys(1–178)在番茄免疫中具有多重作用。

引言

农业部门受到非生物和生物胁迫的严重影响，这些胁迫强烈影响作物产量和质量，导致生产力和经济方面的严重损失（Gull et al., 2019, Teshome et al., 2020）。仅生物胁迫每年就导致高达百分之四十的产量损失，相当于超过2900亿美元的经济损失（联合国粮食及农业组织2022）。同样，非生物胁迫如干旱、盐碱和极端温度也是农业的严重限制因素，导致作物产量下降超过百分之五十（Mansinhos et al., 2024）。为应对这些持续挑战，植物发展出复杂而多面的防御策略，这需要大量能量投入，往往导致损害其生长潜力的负面权衡（Du et al., 2024）。为弥补这种失衡，化学农药因其保护植物免受虫害并提高作物产量的能力，成为农业食品部门的支柱。然而，其增加和广泛使用不可避免地伴随着环境和社会影响（Lykogianni et al., 2021, Zhu et al., 2023）。大规模施用农药会导致土壤和水体中的非目标沉积，影响非目标物种和生态系统并降低生物多样性（Ige et al., 2025）。此外，残留在农产品上的农药残留可能进入食物链，给人类健康带来严重后果，如癌症、胎儿损伤和内分泌系统功能障碍（Kumar et al., 2020, Kumar et al., 2021, Rashad et al., 2025）。鉴于目前的形势，欧洲委员会通过2009/128/EC指令限制了化学农药的使用。最近，作为欧洲绿色协议和"从农场到餐桌"战略的一部分，欧盟设定了到2030年将化学农药使用量减少百分之五十的雄心目标（European Parliament and Council, 2009, European Commission, 2022）。这一承诺得到了多位科学家的支持，他们目前正在努力以可持续做法替代化学农药（Datsko et al., 2025）。因此，理解植物胁迫感知和反应对于提供新的环保工具以用于作物保护至关重要。

植物免疫建立在"两层"先天系统之上，主要涉及两种受体：细胞表面的模式识别受体（PRRs）和细胞内受体，即核苷酸结合富亮氨酸重复受体（NLRs）。PRRs代表响应系统的第一层，通常包括受体样激酶（RLKs）和受体样蛋白（RLPs）。这些受体能够识别保守的病原菌模式，即病原相关分子模式（PAMPs），以及植物来源的模式，即损伤相关分子模式（DAMPs）。这种识别过程产生一种称为模式触发免疫（PTI）的免疫反应，促进一系列生化变化以快速应对威胁。相反，NLRs构成植物响应系统的第二层，检测特定病原菌效应子，即病原菌在感染过程中分泌的致病蛋白，触发局部过敏反应。这种机制称为效应子触发免疫（ETI）。ETI和PTI的激活均触发类似事件，包括Ca2+流动、活性氧（ROS）爆发、转录重编程和植物激素产生，导致信号事件的级联反应和防御相关基因的转录（Lovelace et al., 2023, Ali et al., 2024, Huang and Joosten, 2025, Snoeck et al., 2025）。PTI和ETI最初被描述为不同的机制，但现在被认为是植物免疫系统相互依赖的组分，使植物能够节约能量并实现更快、更有效的防御反应（Yu et al., 2024）。

DAMPs是损伤后释放到胞外空间的内源预警分子。释放后，它们与跨膜受体相互作用，触发防御反应和防御相关基因的激活（Héloir et al., 2019, Hou et al., 2019, Chen et al., 2025）。其中，植物肽类因其在缓解胁迫方面的能力和环保性质而受到广泛关注（Campos et al., 2018）。已发表文献中的多项研究探讨了外源施用植物肽的效果，揭示了它们增强和拓展植物防御机制的能力（Lee et al., 2018）。例如，GmSUBPEP的施用诱导大豆中防御相关基因的表达，而将AtPep2施用于拟南芥叶片则激活水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）介导的反应，增强对丁香假单胞菌番茄致病小种DC3000的抗性（Hou et al., 2019）。肽类施用还可以导致防御反应的启动，这是一种记忆状态，植物在此状态下为应对后续的入侵做好准备，实现更快更强的反应，既在局部也在远离攻击部位的区域。启动不仅对病原菌和害虫有效，也对非生物胁迫有效（Mauch-Mani et al., 2017, Héloir et al., 2019, Sandroni et al., 2020）。因此，利用植物肽作为植物防御诱导子似乎是保护作物免受胁迫的一种有前景的策略（Tanaka and Heil, 2021）。DAMPs通常分为两组，即组成性（cDAMPs）和诱导性（iDAMPs）DAMPs。前者在细胞损伤时通过组织或细胞的酶促或物理降解被动释放。例如，细胞壁可能在病原菌攻击过程中被病原菌产生的果胶酶或内源多聚半乳糖醛酸酶降解，从而释放已知为寡半乳糖醛酸（OGs）的果胶片段。OGs被细胞表面的PRRs识别，触发广泛的防御反应，包括防御化合物和ROS的产生以及植物激素合成的诱导，如JA、SA和乙烯（ET）（Ferrari et al., 2013, Tanaka and Heil, 2021, Degli Esposti et al., 2025）。将OGs施加于番茄已被证明能触发由脱落酸（ABA）和类黄酮介导的防御反应（Gamir et al., 2021）。iDAMPs在受到攻击时被主动产生，它们被归类为植物细胞因子，即损伤感知后分泌的肽类，通常从较大的前体中释放（Pastor-Fernández et al., 2023）。Sys是植物中发现的第一个植物细胞因子，由Pearce小组于1991年首次从番茄叶片中分离出来。Sys是一种十八肽，具有免疫调节功能。在受到损伤、创伤或昆虫攻击时，它从其200个氨基酸前体ProSys的C端区域经蛋白水解释放。Sys与其膜结合受体SYR1和SYR2的相互作用导致茉莉酸产生放大，激活系统性反应，并产生防御化合物，如蛋白酶抑制剂（Pearce et al., 1991, McGurl and Ryan, 1992, Wang et al., 2018, Zhang et al., 2025）。

ProSys在番茄中的过表达不仅触发针对生物胁迫因子如坏死营养型真菌灰葡萄孢和咀嚼式害虫棉铃象甲的直接防御反应，还通过产生吸引植食昆虫天敌的挥发性有机化合物（VOCs）来增强间接防御（Corrado et al., 2007, Coppola et al., 2015）。此外，ProSys过表达植物耐受盐碱胁迫（Orsini et al., 2010）。在外源施用Sys肽的番茄中也观察到类似效果，使其对植食昆虫具有直接和间接防御（Coppola et al., 2019）。

最近的研究表明ProSys除了包含Sys肽之外还有其他作用。组成性过表达截短的ProSys基因（不含Sys编码序列）的转基因烟草和番茄显示，在烟草中蛋白质组谱发生了显著变化（Corrado et al., 2016），在番茄中发生了大规模的转录组重编程，并检测到短OGs积累增加（Molisso et al., 2022）。此外，叶面施用ProSys(1-178)发现这些植物对生物胁迫因子具有显著保护效果。然而，支撑这种保护的分子机制仍不清楚。负责感知ProSys(1–178)的受体尚未确定，目前也不清楚该片段是否通过SYR1/SYR2、OG受体或其他分子伙伴进行信号转导。

这些发现导致了如下假设：ProSys可能激活至少两条部分不同的防御信号通路：一条是已充分表征的Sys依赖型通路，导致JA产生并随后激活防御相关基因；另一条是ProSys(1-178)依赖型通路，可能与短OGs积累相关，且至少在部分程度上独立于JA通路（Molisso et al., 2022）。然而，OG信号是否贡献于ProSys(1–178)诱导的防御反应仍有待直接证实。本研究旨在阐明番茄中ProSys(1–178)介导的免疫反应的趋同和分歧方面，而受体鉴定和OG依赖因果机制的直接实验验证则超出其范围。因此，我们比较了此前发表的ProSys(1–178)和ProSysFL过表达植物的芯片数据集，特别关注表达模式一致或相反的共同差异表达基因（DEGs），并检查了外源施用ProSys(1–178)或Sys后早期局部和系统性反应。

小节片段

ProSys(1-178)和ProSysFL差异表达基因的对比分析

ProSys(1-178)和ProSysFL的差异表达基因（DEGs）通过Benjamini和Hochberg错误发现率（FDR < 0.05）和变化倍数>2进行筛选。ProSys(1-178)和ProSysFL共同DEGs的热图使用OriginLab2025软件绘制。

植物材料和生长条件

所有实验均使用番茄种子（Solanum lycopersicum L.，品种"Dwarf San Marzano"）。种子通过浸入70%乙醇中2分钟进行表面消毒，清洗后用2%的钠……

比较ProSysFL和ProSys(1-178)过表达番茄中差异表达基因

为更深入地了解ProSys(1-178)在番茄免疫中的功能作用，我们比较了此前发表的35S::ProSysFL和35S::ProSys(1-178)转基因植物（分别见Coppola et al., 2015和Molisso et al., 2022）获得的芯片数据。比较结果见补充表1和2，其中报告了ProSys(1-178)相关数据。35S::ProSysFL的差异表达基因为504个；约四分之三为上调，而……

讨论

过去几年中，多项研究指出ProSys远非仅仅是Sys肽的支架，它在植物免疫系统中发挥着积极作用（Corrado et al., 2016, Molisso et al., 2022）。已证明ProSys(1–178)（不含Sys肽）改变了烟草叶片的蛋白质组谱并增加了植物对灰葡萄孢的抗性（Corrado et al., 2016）。此外，ProSys(1–178)增强了番茄对害虫的防御并触发了短……的释放

资助

本研究在农业技术国家研究中心框架内进行，并获得欧盟下一代欧盟基金资助（PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR) – MISSIONE 4 COMPONENTE 2, INVESTIMENTO 1.4 – D.D. 1032 17/06/2022, CN00000022）。

本手稿仅反映作者的观点和意见，欧盟及欧洲委员会均不承担任何责任。

利益冲突

作者声明，本研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

未引用参考文献

（Bardak et al., 2021; Battaglia et al., 2008; Bergey et al., 1999; Berka et al., 2022; Bhattacharya et al., 2013; Campos et al., 2019; Chen et al., 2004; Coppola et al., 2017; Danso Ofori et al., 2025; Davey et al., 2012; de Vries et al., 2021; Deng and Lu, 2017; Divekar et al., 2023; Doares et al., 1995; Dr?ge-Laser et al., 2018; Dyson and Wright, 2005; Fischer et al., 2015; Liu and Stone, 2011; Pearce et al., 2008; Wright and Dyson, 2015; Zhang and Sun, 2021; Zhang et al., 2023; Zhang, 2023）

CRediT 作者贡献声明

Simona Maria Monti：撰写—审阅与编辑，验证。Mariangela Coppola：方法论，概念构思。Martina Buonanno：资源。Ilaria Di Lelio：调查。Rosa Rao：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，概念构思。Martina Chiara Criscuolo：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，调查。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的任何可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

Martina Chiara Criscuolo | Ilaria Di Lelio | Martina Buonanno | Mariangela Coppola | Simona Maria Monti | Rosa Rao

那不勒斯费迪南多二世大学农业科学学院，Portici，80055，意大利