Nature Plants | 中科院遗传发育研究所李磊团队揭示豆科SubPEP-GSPR模块组织特异性免疫机制

在植物免疫与发育调控网络中，小分子内源肽类激素作为重要的信号分子，能够被细胞膜定位的受体激酶识别，并在多种生理过程中发挥调控作用。大豆中的GmSubPEP最早从叶片提取物中分离出来，属于枯草杆菌蛋白酶前体内部一段隐蔽信号肽，已知能诱导悬浮细胞培养基碱化并激活部分防御相关基因。2026年8月18日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李磊团队在Nature Plants发表了题为《Diverse phytocytokines derived from conserved subtilase scaffolds co-evolved with clustered receptors to confer defence responses in legumes》的研究论文，他们对大豆及多个豆科植物的SubPEP家族进行了系统鉴定和功能解析，发现该家族包含多个序列差异极大且具有组织特异性活性的肽段变体，并且这些编码基因与对应的受体激酶基因在基因组上成簇排列，不同物种中的相关模块共同进化并呈现物种特异的配体-受体匹配关系。

研究团队通过序列比对在大豆Williams 82参考基因组中检索到97个枯草杆菌蛋白酶同源蛋白，系统发育分析将它们归入AtSBT5亚家族，其中四个前体在对应已知GmSubPEP1的区域包含序列差异明显的可变环状结构。他们合成了这些位置对应的十二个氨基酸肽段并分别测试了活性，在叶片中GmSubPEP3触发了最强烈的活性氧爆发，GmSubPEP1和GmSubPEP4也产生了较强的响应，但GmSubPEP2和两种长度的GmSubPEP5变体在叶片中几乎没有活性。在根中，GmSubPEP2诱导了最高水平的活性氧信号，GmSubPEP1也有中等程度的诱导效果，其余肽段则未能触发根中的明显活性氧反应。研究团队随后开展了病原菌感染实验，用GmSubPEP3或GmSubPEP4预处理叶片后接种立枯丝核菌，病灶面积显著小于对照组且病害症状明显减轻，防护效果与经典的细菌鞭毛蛋白肽flg22相当；用GmSubPEP1、GmSubPEP2或GmSubPEP4预处理根后接种大豆疫霉菌，病原菌的生物量显著低于未经处理的植株，并且GmSubPEP3在根中未表现出类似的保护效果。

为了探究这些肽段激活的下游信号通路，研究团队对经过四种GmSubPEP处理的大豆叶片和根进行了转录组和磷酸蛋白组分析。他们从叶片和根中分别鉴定出超过一万两千个差异表达基因，主成分分析结果显示叶片与根之间以及四种处理之间均存在清晰的转录组轮廓分离。在叶片中GmSubPEP4处理所上调的基因数量最多，在根中则是GmSubPEP2诱导的基因集合最为庞大，GO富集分析表明叶片中GmSubPEP4特异性地激活了茉莉酸信号通路相关基因的表达，RT-qPCR验证了多个茉莉酸响应基因在处理后显著上调。磷酸蛋白组分析在15分钟的处理时间点检测到超过两千个差异磷酸化肽段，其中只有约10%的磷酸化事件是所有四种肽段共同诱导的，其余绝大部分磷酸化修饰变化具有高度的肽段特异性。研究团队还定位了多个免疫信号转导关键蛋白的同源物，包括SERK类共受体、受体样胞质激酶PBL家族成员、MAPK级联反应上游激酶以及钙依赖性蛋白激酶，这些蛋白的磷酸化状态在不同处理之间呈现明显差异的调控模式。

在受体与配体的匹配方面，研究团队鉴定出GSPR1、GSPR2和GSPR3分别作为GmSubPEP1/2、GmSubPEP3和GmSubPEP4的受体，编码这些前体肽的基因与编码相应受体的基因在大豆基因组中呈现出相互穿插的分布状态，三个前体基因和三个受体基因集中在18号染色体上，另一个前体基因和受体基因位于9号染色体上。他们在烟草中瞬时表达了各个GSPR受体并进行了配体依赖的活性氧检测，明确了每对配体与受体的对应关系，通过CRISPR-Cas9技术构建的gspR1突变体完全丧失了对GmSubPEP1和GmSubPEP2的根中活性氧响应以及根生长抑制效应，gspR2突变体则缺失了GmSubPEP3在叶片中诱导的活性氧爆发和抗病能力。他们还通过交联结合实验和微量热泳动实验证明了GSPR1可以直接结合GmSubPEP1和GmSubPEP2，解离常数分别约为639纳摩尔和30纳摩尔，后者的结合强度高出二十倍以上，AlphaFold-Multimer结构模型显示GmSubPEP2与GSPR1之间存在约132个界面接触，而GmSubPEP1仅有约40个接触。研究团队进一步分析了十种代表性豆科植物的同源模块，在扁豆、鹰嘴豆和蒺藜苜蓿中验证了多个物种特异的配体-受体对，这些受体对其自身物种来源的肽段具有高度选择性，而对大豆的GmSubPEP几乎不产生响应，表明这些模块在豆科物种分化后发生了独立的谱系特异性扩张和功能适应。

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