A novel plant protein-disulfide isomerase participates in resistance response against the TYLCV in tomato
Planta ( IF 3.390 ) Pub Date : 2020-07-17 , DOI: 10.1007/s00425-020-03430-1
Tong Li, Ya-Hui Wang, Ying Huang, Jie-Xia Liu, Guo-Ming Xing, Sheng Sun, Sen Li, Zhi-Sheng Xu, Ai-Sheng Xiong*
番茄黄化曲叶病毒(TYLCV)是一种侵染多种作物的植物病毒，对番茄的生长危害尤为严重。蛋白质二硫键异构酶(PDI)是硫氧还蛋白(TRX)超家族的一员，能够催化蛋白质二硫键的形成和异质性，抑制错误折叠蛋白质的聚集。研究表明PDI在植物对非生物胁迫的响应中起着重要作用，关于PDI在响应生物胁迫，特别是TYLCV侵染中的作用尚未见报道。
在这里，我们鉴定了一个番茄PDI基因，SlPDI，参与调控番茄植株对TYLCV的抗性。
亚细胞定位结果表明，SLPDI定位于内质网(ER)，感染TYLCV病毒后定位不变。
SLPDI的过表达或沉默可以增加植物对TYLCV的抗性或敏感性。
与对照相比，高表达SLPDI的转基因植株在感染TYLCV后表现出较强的抗氧化活性，表现为过氧化氢(H2O2)水平较低，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性较高。此外，SLPDI沉默植物表现出相反的结果。
启动子分析结果表明，slPDI参与了对水杨酸(SA)的应答，我们的实验结果还表明，SA诱导了slPDI的表达水平。
综上所述，我们的结果表明，SLPDI可能通过增强ER的蛋白折叠功能和促进抗氧化相关蛋白的合成和构象来调节植物对TYLCV的抗性。
结果表明，SLPDI定位于内质网，接种TYLCV病毒对其亚细胞定位无影响。SLPDI的表达随病毒含量的增加而迅速增加，然后降低，表明在一定的病毒含量范围内，SLPDI的表达与病毒含量呈正相关。这些结果表明，当TYLCV病毒侵染时，植物细胞的内质网处于逆境状态，位于内质网的SLPDI可能通过促进相关功能蛋白的折叠来减轻内质网的逆境，从而调节植物对TYLCV的抗性。
为了进一步研究SlPDI在番茄对TYLCV侵染反应中的作用，我们利用VIGS和转基因过表达技术获得了SlPDI沉默和SLPDI过表达的植株。沉默SlPDI的植株对TYLCV侵染表现出更高的敏感性，而SLPDI的过表达使转基因植株对TYLCV侵染的抗性增强，表明SLPDI参与了植物对TYLCV侵染的抗性调控。
过氧化氢(H2O2)不仅是植物体内的一种活性氧(ROS)，而且是一种重要的信号分子。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的主要指标。结果表明，感染TYLCV后，SLPDI沉默植株的H2O2水平高于pTRV植株，而过量表达SLPDI植株的H2O2水平则相反(低于WT植株)。此外，与pTRV和WT相比，沉默植株的SOD和POD酶活性较低，而高表达植株的SOD和POD酶活性较高。SLPDI过表达植株的MDA含量也低于WT植株。这可能是由于PDI修复了因TYLCV感染而错配的蛋白质，并促进了相关抗氧化酶蛋白质的正确折叠。
综上所述，我们从番茄中分离到一个PDI蛋白编码基因SLPDI。在番茄中沉默SlPDI或在烟草中过表达SlPDI都能提高植株对TYLCV的敏感性或抗性，表明SlPDI参与了番茄对TYLCV的抗性调控。根据我们的实验结果，我们推测了SLPDI的作用机理。
当被TYLCV侵染时，(1)植物体内产生大量的ROS，ROS作为信号分子激活植物的抗氧化系统；(2)提高植物SA水平可以诱导SlPDI和PR基因的表达，PR基因表达上调激活植物的SAR；(3)MYB转录因子可以结合SlPDI的启动子区域调控其表达。SLPDI的诱导表达可以减轻病毒侵染后对内质网的胁迫，促进抗氧化酶蛋白构象的形成，从而调节植物对TYLCV的抗性。