气孔是广泛分布在植物叶表面的微孔，是植物进行气体和水分交换的通道，为植物的生长发育所必需。同时，气孔也是病原菌进入叶间隙定殖的天然入口，但植物可以通过关闭气孔来防御病原菌的入侵，这个过程被称为“气孔免疫”，是植物先天免疫的重要环节。先天免疫是通过细胞表面受体识别MAMP启动PTI，包括MAPK和CDPK的激活、细胞溶质钙和ROS的爆发、产生防御激素，如水杨酸 (SA)、和离子通道激活或抑制等信号事件确保强大的气孔关闭，以防止微生物入侵。在拟南芥表皮细胞中受体激活后的几分钟内，微丝丰度迅速增加，这被认为是 PTI 反应的一个新的早期标志。因此，微丝骨架和相关的细胞过程对于植物防御很重要。然而，人们对微丝骨架在植物防御中的确切功能仍然知之甚少。

之前基于磷酸化蛋白质组学分析表明多种细胞骨架蛋白在用flg22处理后迅速磷酸化，其中就包括来自拟南芥villin3 (VLN3)蛋白，该蛋白能切割微丝骨架。后续的研究进一步表明，VLN3是一个潜在的MAPK底物。该研究首先表明vln3突变体无法激活气孔免疫以防止细菌进入植物，导致植物对细菌感染的易感性增强（如图1所示）。

图1 拟南芥微丝结合蛋白vln3突变体的气孔免疫缺陷表型

通过生化手段，研究者验证了VLN3与MPK3/6之间的相互作用，并进一步结合体内外磷酸化实验及质谱分析，证明VLN3能被MPK3/6磷酸化且鉴定到第779位丝氨酸是其关键的磷酸化位点。

图2 MPK3/6对VLN3的磷酸化位点分析

为了研究VLN3磷酸化修饰对其生化功能的影响。该研究采用全内反射显微镜，在体外对微丝动态进行了实时观测（如图3所示）。实验结果表明，磷酸化修饰能有效促进VLN3蛋白切割微丝的功能。

图3 TIRF显微镜对微丝动态的体外实时检测

该工作进一步在植物体内研究表明VLN3和MPK3/6共同调控气孔免疫中的微丝动态重塑（如图4所示）。VLN3或MPK3/6的缺失导致保卫细胞中类似的微丝缺陷表型。vln3单突变体和mpk3/6双突变体中的微丝合并成束的频率低于野生型细胞，导致微丝阵列更丰富且更少成束。因此，通过微丝动态和遗传研究的定量分析表明，MPK3/6对VLN3的磷酸化调节微丝骨架重塑以激活拟南芥中的气孔防御。本研究结果为气孔免疫提供了新的调控模型（如图5所示）。

图4 MPK3/6和VLN3协同调控气孔免疫中微丝动态重塑

图5 微丝骨架调控气孔免疫的工作模型

该项工作于2021年11月9日在国际学术期刊Nature Communications（IF: 14.9）上发表。2018级博士生邹敏霞和2018级硕士生郭萌萌为共同第一作者，博士研究生王冰肖、潘晴和李佳静为本论文的共同作者。李杰婕教授为通讯作者，中科院遗传与发育研究所周俭民研究员和中国农业大学周朝阳副教授也参与了本项研究，北京师范大学抗性基因资源与分子发育北京市重点实验室为第一完成单位。本文章受到国家自然科学基金青年基金（31801135）和国家自然科学基金重大研究计划培育项目（92054101）的资助。

图6 李杰婕课题组成员

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26827-2