应用生物育种技术 释放作物生物潜能
Applying biological breeding techniques to unleash the biological potential of crops
关于未米
未米生物联合四川农业大学陈学伟/王静团队揭示调控植物免疫新机制
2025-12-05
未米生物联合四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室陈学伟/王静团队在国际权威期刊 Cell Research 在线发表了题为 Rice transcription factor bHLH25 confers resistance to multiple diseases by sensing H₂O₂ 的研究论文，揭示了水稻转录因子bHLH25通过第256位甲硫氨酸残基（M256）感应H₂O₂从而先后调控木质素合成和抗菌素合成这两条免疫通路来增强植物对多病原的抗病性。
陈学伟团队的廖海澄博士、方宇博士、尹俊杰副教授、贺闽教授和魏英杰博士为论文的共同第一作者，陈学伟教授和王静教授为论文的共同通讯作者。该研究由四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室陈学伟带领的水稻重大病害抗性机制与应用团队主导，与美国加州大学戴维斯分校、斯洛伐克共和国兹沃伦技术大学、日本帝京大学等国内外科研机构合作完成。未米生物科技有限公司钱扬文博士也参与了该研究。
研究背景
在植物与病原菌的长期博弈中，过氧化氢（H₂O₂）作为活性氧家族的核心成员，扮演着 “防御信号触发器” 与 “氧化损伤分子” 的双重角色。病原菌入侵时，植物通过 NADPH 氧化酶产生的 H₂O₂既能直接抑制病原菌增殖，又能激活下游免疫反应，但过量积累会对自身细胞造成氧化损伤。此前研究已发现胞质中的 PRXIIB、胞外的 HPCA1 等 H₂O₂传感器，但细胞核内转录因子如何直接感知 H₂O₂并调控全局免疫基因表达，尤其是在植物免疫中的具体机制，长期存在科学缺口 —— 已报道的传感器或不直接参与转录调控，或与免疫响应的直接关联不明确，这一空白严重限制了对植物 “防御 - 生长平衡” 调控网络的理解。
关键发现
该研究的核心突破在于鉴定到水稻细胞核内的转录因子 bHLH25 作为 H₂O₂的直接传感器，通过第 256 位甲硫氨酸（M256）的氧化修饰状态切换，调控两条独立的防御通路。当病原菌入侵诱导 H₂O₂积累时，bHLH25 的 M256 发生氧化，氧化态的 bHLH25 特异性结合 miR397b 启动子的 G-box-like-2 基序，显著抑制 miR397b 的表达；这一抑制作用解除了 miR397b 对靶基因 OsLAC7/28/29的靶向抑制，促进木质素大量合成，增强细胞壁物理屏障功能以阻挡病原菌侵入。随着木质素合成消耗 H₂O₂，bHLH25 恢复非氧化状态，转而结合 CPS2 基因启动子的 N-box-like 基序，激活 CPS2 表达；CPS2 作为柯巴焦磷酸合成酶 2，是水稻植物抗毒素 Phytocassane C 合成的关键酶，其介导的化学防御可清除已侵入的病原菌。质谱分析与体外实验证实，M256 位于 bHLH25 的 DNA 结合结构域，且是唯一能被 H₂O₂特异性氧化的关键位点，将 M256 突变为缬氨酸（bHLH25M256V）后，bHLH25 完全丧失氧化感知能力，既无法结合 miR397b 和 CPS2 启动子，也不能激活任何一条防御通路，导致植株抗病性与 bHLH25 敲除株相当。
进一步研究发现，bHLH25 介导的防御机制具有广谱性，其过表达植株对稻瘟病、白叶枯病和纹枯病均表现出显著抗性；且该机制在植物界具有保守性，拟南芥等 110 种植物的 bHLH25 同源蛋白均含保守的 M256 样甲硫氨酸，其中拟南芥 AtbHLH25 的 M291 同样可被 H₂O₂氧化。值得注意的是，bHLH25 仅响应病原菌诱导的 “高强度、局部集中” 的 H₂O₂信号，对盐、高温等非生物胁迫诱导的 “低强度、分散”H₂O₂无响应，这种特异性确保了防御反应仅在生物胁迫下启动，避免不必要的生长代价。
bHLH25通过M256氨基酸残基感应H₂O₂以赋予植物广谱抗病性的模型
该研究通过系统解析 bHLH25 的功能机制，首次阐明了真核生物中 “转录因子直接感知 H₂O₂并调控双重防御通路” 的分子网络，填补了细胞核内 ROS 信号感知的理论空白。其核心创新在于发现 “单一蛋白通过翻译后修饰实现功能切换” 的调控模式，既解释了植物如何通过 “物理屏障 + 化学防御” 的协同策略高效抗病，又揭示了 H₂O₂作为 “信号分子 - 代谢平衡剂” 的双重作用机制。从应用价值来看，bHLH25 的广谱抗性与保守性使其成为理想的分子育种靶标，其优异等位变异可直接用于水稻、小麦等作物的广谱抗病育种；而对 M256 氧化修饰机制的解析，为设计 “精准调控防御强度” 的基因编辑策略提供了靶点，有望培育出既抗病又高产的作物新品种，为农业绿色生产提供全新技术路径。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41422-024-01058-4
