核孔蛋白CPR5-GBPL3/组蛋白修饰信号级联通过表观调控SARD1/CBP60g转录重编程植物免疫

　　本研究针对植物免疫中转录重编程的调控机制难题，发现核孔蛋白CPR5与GBPL3组装的PRISM信号模块通过组蛋白修饰（H3K4me3/H3K27me3）精确调控关键转录因子SARD1和CBP60g的转录，揭示了核孔介导的表观遗传调控在植物ETI免疫中的核心作用，为作物抗病育种提供了新靶点。

　　

当病原体入侵时，植物会启动大规模的转录重编程来激活免疫反应。在这一过程中，CALMODULIN-BINDING PROTEIN 60（CBP60）家族转录因子SARD1和CBP60g被认为是关键的调控枢纽，它们能够整合来自细胞表面模式识别受体（PRRs）和细胞内核苷酸结合富亮氨酸重复受体（NLRs）的信号，直接调控大量免疫相关基因的表达。然而，这些关键转录因子自身的转录调控机制长期以来并不清楚。

植物细胞核孔复合体（NPC）作为核质交换的关键通道，近年来被发现在免疫调控中发挥重要作用。CONSTITUTIVE EXPRESSION OF PR GENES 5（CPR5）作为植物特异的核孔蛋白组分，其功能缺失突变体cpr5会表现出自发免疫激活、程序性细胞死亡（PCD）和水杨酸（SA）含量升高等类免疫表型，成为研究效应子触发免疫（ETI）信号通路的理想遗传材料。前期研究表明，CPR5通过调控细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CKIs）和RNA加工复合物（NTC/CPSF）来参与免疫调控，但其下游的具体分子机制仍有待阐明。

为了深入解析CPR5介导的免疫信号通路，潘磊文等研究人员在《Genome Biology》上发表了最新研究成果。他们通过遗传筛选、蛋白互作分析和表观基因组学等技术手段，发现了一个以核孔蛋白CPR5和GBPL3为核心的信号级联网络，该网络通过组蛋白修饰机制精确调控SARD1和CBP60g的转录，从而调控植物免疫应答。

研究人员主要运用了遗传筛选（EMS诱变和CRISPR/Cas9基因编辑）、蛋白互作分析（酵母双杂交、LCI和Co-IP）、表观遗传学分析（ChIP-qPCR和ChIP-seq）、转录组分析（RNA-seq）以及病原感染实验等关键技术方法。所有实验均使用拟南芥哥伦比亚生态型（Col-0）为材料，病原菌感染实验采用Pseudomonas syringae pv. maculicola ES4326（Psm）及其携带AvrRpt2效应子的菌株（Psm/AvrRpt2）。

GBPL3相关的组蛋白修饰复合物在RNA加工复合物NTC/CPSF下游发挥功能

研究人员利用prl1 fip1双突变体的典型形态缺陷进行遗传筛选，获得了12个能抑制prl1 fip1表型的突变体（spaf）。通过二代测序鉴定出这些突变体涉及四个关键基因：DREAM COMPLEX组分DRC2、组蛋白去甲基化酶JMJ14和ICU11，以及组蛋白乙酰化相关蛋白YAF9A。这些蛋白都与组蛋白修饰密切相关，且物理相互作用形成复合物。值得注意的是，GBPL3也被发现作为SPAF基因发挥作用，gbpl3敲降株能抑制prl1 fip1表型并恢复cpr5诱导的PCD。

病原感染实验表明，gbpl3-A和spaf单突变对植物敏感性影响不大，但引入prl1 fip1背景后显著增强了对Psm和Psm/AvrRpt2的抗性，说明GBPL3和组蛋白修饰因子在CPR5-NTC/CPSF信号下游作为免疫负调控因子发挥作用。

植物CPR5免疫信号模块

研究人员发现CPR5、PRL1、GBPL3和组蛋白修饰因子在核孔和核斑中形成物理相互作用网络。酵母双杂交和BiFC实验证实了CPR5与GBPL3、DRC2、JMJ14、YAF9A之间的直接互作，以及GBPL3与PRL1、DRC2、JMJ14、YAF9A之间的相互作用。Co-IP实验进一步验证了这些蛋白在植物体内的互作关系，表明它们组装成了一个大型蛋白复合物，被命名为植物CPR5免疫信号模块（PRISM）。

转录因子SARD1和CBP60g是CPR5信号通路下游的主调控因子

通过RNA-seq和遗传分析，研究人员发现cpr5突变体中上调的差异表达基因（DEGs）中有71.40%被sard1 cbp60g双突变所抑制。关键免疫标记基因如PR1和PR2的表达在cpr5 sard1 cbp60g中恢复到野生型水平。表型分析显示，sard1或cbp60g单突变只能部分抑制cpr5的早期衰老和生长缺陷，而双突变则完全抑制了这些表型，表明SARD1和CBP60g在CPR5信号通路中发挥冗余且必需的作用。

GBPL3相关的组蛋白修饰复合物结合并抑制SARD1和CBP60g基因的转录

AraENCODE数据显示，与看家基因ACT2相比，SARD1和CBP60g位点上的活性组蛋白标记H3K4me3和H3K27ac显著降低，而抑制性标记H3K27me3显著升高。ChIP-qPCR实验证实MYC标记的DRC2、JMJ14、YAF9A和GBPL3在SARD1和CBP60g位点有显著富集。病原感染后，DRC2和GBPL3与这些基因的结合显著降低。表达分析显示cpr5诱导的CBP60g、SARD1、PR1和PR2表达在cpr5 prl1 fip1中被抑制，而在cpr5 prl1 fip1 drc2（或jmj14或yaf9a或gbpl3-A）中恢复或增强，表明GBPL3和组蛋白修饰因子在免疫应答中负调控SARD1和CBP60g的转录。

组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化在植物免疫中受PRISM信号通路调控

H3K4me3 ChIP-seq分析显示，cpr5中H3K4me3水平显著升高（7323个上调基因），在cpr5 prl1 fip1中恢复到野生型水平（630个上调基因），而在cpr5 prl1 fip1 jmj14中又显著增加（5233个上调基因）。在cpr5 vs WT的RNA-seq上调基因（2838个）中，有26.0%（738个）也在ChIP-seq中显示显著的H3K4me3富集，这些基因高度富集于植物免疫反应通路。病原感染（无论是毒力还是无毒力菌株）均显著诱导了CBP60g和SARD1位点的H3K4me3富集，证明PRISM信号级联通过H3K4me3组蛋白修饰调控植物免疫。

本研究揭示了CPR5-NTC/CPSF-GBPL3/组蛋白修饰信号级联（PRISM）通过表观遗传机制调控植物免疫的核心作用。该信号模块在核孔处组装，整合了核质运输、细胞周期进程、RNA加工和组蛋白修饰等多种调控机制，通过对SARD1和CBP60g基因位点的组蛋白修饰状态进行精确调控，从而控制植物的免疫转录重编程。

在非病原条件下，CPR5二聚体招募CKIs并抑制NTC/CPSF，GBPL3/组蛋白修饰复合物促进染色质压缩，抑制SARD1和CBP60g的转录。病原感染时，激活的NLRs诱导CPR5从二聚体向单体转变，释放CKIs和NTC/CPSF，逆转GBPL3/组蛋白修饰复合物的染色质压缩作用，激活SARD1和CBP60g表达，进而诱导植物免疫。

该研究不仅填补了激活的免疫受体与转录重编程之间的信号空白，也为作物抗病育种提供了新的分子靶点和理论依据。通过调控核孔相关的表观遗传信号模块，可能为未来开发新型抗病作物品种提供创新策略。