植物作為定植生物，與動(dòng)物不同，無(wú)法主動(dòng)避開(kāi)不利的環(huán)境因素，因此，它們必須不斷應(yīng)對(duì)由生物和非生物因素引起的環(huán)境變化。如何精準(zhǔn)且有效地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，是植物生存與繁衍的核心課題之一。光照作為植物生長(zhǎng)和發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境信號(hào)，在其生命周期中發(fā)揮著決定性作用。同時(shí)，植物激素作為內(nèi)源性調(diào)節(jié)因子，在植物適應(yīng)光環(huán)境、完成光形態(tài)建成的過(guò)程中，扮演著不可或缺的角色。

當(dāng)植物遭遇病原菌侵襲時(shí)，會(huì)迅速啟動(dòng)免疫防御機(jī)制，并合成大量水楊酸（Salicylic Acid，SA），以增強(qiáng)免疫反應(yīng)。然而，免疫反應(yīng)是一個(gè)能量密集型過(guò)程，通常會(huì)抑制植物的正常生長(zhǎng)。因此，如何在免疫反應(yīng)與正常生長(zhǎng)之間找到平衡，一直是植物學(xué)研究中的重要議題。盡管現(xiàn)有研究已廣泛探討了植物激素在光形態(tài)建成中的作用，水楊酸作為植物免疫激素在這一過(guò)程中所發(fā)揮的作用仍未得到足夠關(guān)注。

水楊酸的受體NPR1（NONEXPRESSER OF PATHOGENESIS-RELATED GENES 1）是水楊酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)控因子，在植物免疫反應(yīng)中發(fā)揮著核心作用。然而，植物如何整合光信號(hào)與水楊酸信號(hào)以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境變化，以及水楊酸在光形態(tài)建成中的作用仍未得到深入和系統(tǒng)的研究。同時(shí)，NPR1在光形態(tài)建成中的作用機(jī)制也尚不明晰。深入研究水楊酸及其受體NPR1在植物光形態(tài)建成中的角色，不僅有助于揭示植物如何協(xié)調(diào)免疫反應(yīng)與生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)系，也為理解植物如何適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

在植物光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控中，光敏色素相互作用因子（Phytochrome Interacting Factors, PIFs）是重要的轉(zhuǎn)錄因子。在光照條件下，PIFs通過(guò)泛素化途徑迅速降解，以精確響應(yīng)光信號(hào)；這一精細(xì)的調(diào)控機(jī)制確保了植物能夠在動(dòng)態(tài)變化的光環(huán)境中準(zhǔn)確做出適應(yīng)性調(diào)整。然而，盡管已有研究揭示了其它 PIFs 穩(wěn)定性調(diào)控的泛素連接酶，但PIF4 蛋白穩(wěn)定性調(diào)控的具體機(jī)制仍不清楚，亟待進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究，揭示其背后的分子機(jī)制及生物學(xué)意義。

近日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院/北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院/濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室/小麥育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧興旺教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院楊麗教授團(tuán)隊(duì)合作，在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了題為《NPR1 promotes blue light-induced plant photomorphogenesis by ubiquitinating and degrading PIF4》的研究論文。該研究揭示了水楊酸通過(guò)NPR1-PIF4信號(hào)模塊促進(jìn)植物光形態(tài)建成。研究發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)光條件下，水楊酸受體NPR1作為CUL3依賴(lài)性的E3泛素連接酶，介導(dǎo)PIF4的翻譯后調(diào)控。具體而言，NPR1促進(jìn)了PIF4的泛素化，并通過(guò)26S蛋白酶體途徑在細(xì)胞核中降解PIF4，從而顯著降低了藍(lán)光條件下PIF4的蛋白水平，抑制了植物胚軸的伸長(zhǎng)。此外，藍(lán)光受體隱花色素（Cryptochrome, CRYs）通過(guò)促進(jìn)NPR1與PIF4的相互作用及其泛素化，進(jìn)一步增強(qiáng)了這一過(guò)程。這項(xiàng)研究不僅揭示了NPR1在植物光形態(tài)建成中的新角色，還闡明了其在藍(lán)光響應(yīng)中的獨(dú)特調(diào)控機(jī)制，為植物如何平衡免疫反應(yīng)與生長(zhǎng)發(fā)育提供了新的分子機(jī)制和理論依據(jù)。揭示了此前未知的在藍(lán)光條件下對(duì)PIF4進(jìn)行翻譯后調(diào)控的機(jī)制，豐富了我們對(duì)植物光形態(tài)建成的理解，也為未來(lái)相關(guān)研究提供了新的視角。

圖1. 水楊酸通過(guò)NPR1-PIF4信號(hào)模塊促進(jìn)植物光形態(tài)建成

該研究首先對(duì)水楊酸處理?xiàng)l件下的野生型（Col-0）擬南芥幼苗下胚軸長(zhǎng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示水楊酸顯著抑制了擬南芥下胚軸的伸長(zhǎng)，即促進(jìn)植物光形態(tài)建成。隨后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同基因型的擬南芥幼苗（包括pif4-2, 35S::PIF4-MYC, npr1-1, 以及35S::NPR1-GFP npr1-1）在水楊酸處理下的下胚軸長(zhǎng)度進(jìn)行了進(jìn)一步分析。結(jié)果表明，NPR1與PIF4共同參與了水楊酸對(duì)擬南芥下胚軸伸長(zhǎng)的調(diào)控（圖1）。此外，通過(guò)比較不同單色光條件下npr1-1與Col-0的下胚軸長(zhǎng)度，以及Col-0、npr1-1和35S::NPR1-GFP npr1-1的子葉面積，發(fā)現(xiàn)NPR1在藍(lán)光條件下正向調(diào)控植物的光形態(tài)建成（圖2A, B）。

圖2. NPR1通過(guò)與PIF4直接互作正調(diào)控藍(lán)光光形態(tài)建成

研究進(jìn)一步表明，NPR1通過(guò)與PIF4直接互作來(lái)正向調(diào)控光形態(tài)建成。具體而言，NPR1與PIF4在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)生相互作用，并且在體外也能夠直接結(jié)合。免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了NPR1與PIF4在體內(nèi)的相互作用，并且藍(lán)光處理能夠顯著增強(qiáng)這種相互作用（圖2C-H）。通過(guò)分析pif4 npr1雙突變體與pif4單突變體的表型相似性，研究發(fā)現(xiàn)NPR1通過(guò)PIF4正向調(diào)控藍(lán)光引發(fā)的植物光形態(tài)建成（圖2I）。

圖3. NPR1直接泛素化PIF4并通過(guò)26S蛋白酶體將其降解

該研究還發(fā)現(xiàn)，NPR1能夠直接泛素化PIF4的Lys129/252/428氨基酸殘基，從而負(fù)向調(diào)控PIF4的蛋白穩(wěn)定性。通過(guò)將PIF4的泛素化位點(diǎn)突變體PIF4(3KR)回補(bǔ)到pif4-2突變體中，研究發(fā)現(xiàn)，在暗轉(zhuǎn)藍(lán)光條件下，PIF4(3KR)蛋白比野生型PIF4更為穩(wěn)定。此外，PIF4pro:PIF4(3KR)-MYC pif4-2下胚軸長(zhǎng)度顯著長(zhǎng)于野生型，這一表型與npr1-1相似，表明NPR1通過(guò)泛素化PIF4參與藍(lán)光下的光形態(tài)建成。同時(shí)，PIF4pro:PIF4(3KR)-MYC pif4-2的下胚軸伸長(zhǎng)對(duì)水楊酸處理不再敏感，進(jìn)一步證明水楊酸對(duì)下胚軸伸長(zhǎng)的抑制作用依賴(lài)于NPR1對(duì)PIF4的泛素化調(diào)控（圖3）。

圖4. NPR1對(duì)PIF4蛋白的調(diào)控具有藍(lán)光特異性，且該過(guò)程由藍(lán)光受體CRY介導(dǎo)

通過(guò)檢測(cè)暗轉(zhuǎn)不同單色光后PIF4的蛋白水平，研究發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)光條件下，npr1-1突變體中PIF4蛋白的穩(wěn)定性顯著提高，表明NPR1對(duì)PIF4蛋白穩(wěn)定性的泛素化調(diào)控具有藍(lán)光特異性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在藍(lán)光條件下，NPR1能夠促進(jìn)PIF4的泛素化。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光受體隱花色素（CRYs）能增強(qiáng)NPR1與PIF4之間的相互作用，且CRY1進(jìn)一步促進(jìn)NPR1通過(guò)泛素化途徑降解PIF4。 這些結(jié)果揭示了NPR1通過(guò)泛素化調(diào)控PIF4蛋白，特異性地調(diào)控?cái)M南芥藍(lán)光誘導(dǎo)的光形態(tài)建成過(guò)程（圖4）。

總體而言，本研究成功揭示了NPR1在植物光形態(tài)建成中的新角色，極大拓展了我們對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制的理解。尤其值得注意的是，研究首次發(fā)現(xiàn)了一種在藍(lán)光條件下對(duì)PIF4進(jìn)行翻譯后調(diào)控的全新機(jī)制。這一新機(jī)制在植物發(fā)育的精細(xì)調(diào)控中具有重要意義：通過(guò)精確調(diào)控PIF4，植物能夠根據(jù)藍(lán)光信號(hào)的變化，靈活調(diào)整自身的生長(zhǎng)發(fā)育，從而更好地適應(yīng)外界環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，如光照強(qiáng)度、光周期和溫度波動(dòng)等。這種適應(yīng)性調(diào)節(jié)不僅幫助植物在競(jìng)爭(zhēng)激烈的自然環(huán)境中獲取更多的生存資源（如光能、水分和養(yǎng)分），還增強(qiáng)了其應(yīng)對(duì)各種生物和非生物脅迫的能力，確保植物能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中生存與繁衍。

論文的通訊作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院楊麗教授和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺院士。論文第一作者為北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士后、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者周楊楊。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李繼剛教授和北京大學(xué)何光明副研究員也參與了該項(xiàng)研究工作。該工作得到北京市自然科學(xué)基金, 國(guó)家自然科學(xué)基金，拼多多-中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金, 中國(guó)高校科研基金, 國(guó)家高層次青年人才項(xiàng)目, 中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目, 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才發(fā)展計(jì)劃；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目, 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)科研項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412755121