硫酸软骨素：一种环保型免疫诱导剂可增强植物对PVX和TMV病毒的抵抗力

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Chondroitin sulfate: an environmentally friendly immune inducer enhances plant resistance to PVX and TMV

　　

崔洪浩|徐伟|梁天琪|李云梅|关一琳|李如欣|朱丹雅|彭春娥|彭立增|王清斌

齐鲁师范学院生命科学学院，中国济南，250200

摘要

硫酸软骨素（CS）是一种天然存在的糖胺聚糖，此前尚未被报道为植物免疫诱导剂。在本研究中，我们发现用CS预处理可以显著增强Nicotiana benthamiana对马铃薯X病毒（PVX）和烟草花叶病毒（TMV）的防御能力。最佳效果出现在50 μg/mL的浓度下，接种叶片中对PVX的抑制率达到了82.8%。从机制上讲，CS处理上调了几丁质受体基因几丁质诱导蛋白（CEBiP）和几丁质诱导受体激酶1（CERK1）的表达，触发了早期防御反应，包括细胞内Ca²⁺流入和钙质沉积，并诱导了活性氧（ROS）的爆发。此外，CS还激活了水杨酸（SA）的生物合成和信号通路，这一通路在建立系统获得性抗性（SAR）中起着重要作用，但并非唯一通路。这些发现表明，CS是一种有前景且可持续使用的免疫诱导剂，具有应用于综合作物保护策略的潜力。

引言

植物病毒性疾病，如由马铃薯X病毒（PVX）和烟草花叶病毒（TMV）引起的疾病，对全球农业构成了严重威胁，导致巨大的经济损失和产量下降[1]、[2]、[3]。控制这些专性寄生虫具有挑战性，而传统农药会导致环境问题和病原体抗性[4]、[5]。尽管植物具有RNA沉默等先天防御机制，但这些机制往往不够充分，因此需要有效的预防措施[6]、[7]。作为一种有前景的替代方案，植物免疫诱导剂作为“植物疫苗”，可以激活植物的内在防御机制以增强系统抗性[8]。在各种化合物中，已经探索了壳聚糖和β-葡聚糖等多糖[9]。

硫酸软骨素（CS）是一种天然糖胺聚糖，其骨架由葡萄糖醛酸（GlcA）和N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）组成，硫酸基团通过共价键连接在其上[10]。CS广泛存在于动物结缔组织和软骨中，主要用于医疗应用，特别是治疗骨关节炎[11]。然而，尽管硫酸软骨素在哺乳动物系统中的生物活性已有充分记录，但其作为植物免疫诱导剂的潜力仍大多未被探索。为了探索这一潜力，我们首先概述了植物免疫信号网络（图1）。

如图1所示，诱导剂激活植物免疫信号网络会触发一系列防御反应。当模式识别受体（PRRs）和共受体如CEBiP和CERK1识别到病毒时，早期事件包括细胞内Ca²⁺流入、钙质沉积以及NADPH氧化酶（RBOH）介导的活性氧（ROS）爆发[12]、[13]。这些信号汇集到水杨酸（SA）的生物合成通路（涉及ICS和PAL）以及下游信号调节因子NPR1和防御标记基因PR1a，从而建立系统获得性抗性（SAR）并激活RNA沉默[14]、[15]。

本研究确定硫酸软骨素（CS）是一种新型植物免疫诱导剂，并证明了其能有效激活植物的免疫反应。CS预处理对PVX和TMV都具有强烈的预防效果，凸显了其作为环境可持续抗病毒剂的潜力。我们的数据显示，CS处理上调了几丁质受体基因CEBiP和CERK1的表达，表明它们可能参与了CS的感知，并触发了早期防御反应，包括细胞内Ca²⁺流入、钙质沉积和ROS爆发，以及SA生物合成和信号通路的激活。这些由CS诱导的反应共同增强了植物对病毒感染的抵抗力。这项工作为开发新的、环保的农业病毒病控制策略提供了理论基础。

章节摘录

材料与植物生长

野生型（WT）Nicotiana benthamiana和WT Arabidopsis thaliana在我们的实验室中保存并繁殖。NahG（编码将SA转化为儿茶酚的水杨酸羟化酶）转基因Nicotiana benthamiana在24°C、16小时光照/8小时黑暗的光周期下在温室中培养。Arabidopsis thaliana植物在22°C、16小时光照/8小时黑暗的条件下生长了4周后进行实验。Escherichia coli DH5α菌株和Agrobacterium tumefaciens GV3101菌株也被用于实验

CS增强植物对PVX和TMV的抵抗力

CS预处理显著抑制了Nicotiana benthamiana中的病毒感染。与ddH₂O对照组相比，CS处理使接种叶片中的PVX GFP荧光强度降低了68.2%，系统叶片中的荧光强度降低了79.8%（通过荧光成像和qRT-PCR分析确定，图2A）。TMV也表现出类似的效果，CS使接种叶片中的TMV诱导GFP荧光降低了51.5%，系统叶片中的荧光强度降低了68.8%（p < 0.001；图2B）。为了确定最佳

讨论

我们的数据表明，CS可能被几丁质受体CEBiP和CERK1识别。这一结论得到了编码这些免疫受体成分的基因转录上调的支持，更重要的是，在Arabidopsis CEBiP突变体中失去了CS诱导的抗性（图4），这一发现与我们之前关于藻酸盐寡糖的研究结果一致[16]。然而，目前仍缺乏CS与CEBiP或CERK1之间直接生物结合的直接生化证据。

CRediT作者贡献声明

王清斌：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。彭立增：资源获取、项目管理。彭春娥：软件使用、资源管理、实验研究、数据整理。朱丹雅：方法学设计、实验研究。李如欣：方法学设计、实验研究。关一琳：方法学设计、实验研究。李云梅：方法学设计、实验研究。徐伟：数据整理、方法学设计、验证、初稿撰写。梁天琪：方法学设计、实验研究。崔洪浩：

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号32101035）和山东省重点研发计划（2024TZXD076, 2024TZXD020）的资助。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢实验室工作人员的技术支持。