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合作文章 | 植原体效应子解除ZjBRC1抑制的蔗糖水解驱动枣侧主芽萌发
2026-10-19

合作文章|植原体效应子解除ZjBRC1抑制的蔗糖水解驱动枣侧主芽萌发

英文题目:Derepression of BRANCHED1-Controlled Sucrose Hydrolysis Drives Bud Outgrowth and Phytoplasma-Induced Symptoms in Ziziphus jujuba

中文题目:植原体效应子解除ZjBRC1抑制的蔗糖水解驱动枣侧主芽萌发

发表期刊:plant physiology

影响因子:8.4

单位:安徽农业大学
DOI:https://doi.org/10.1093/plphys/kiag702
普奈斯提供:T6P(海藻糖-6-磷酸)

研究路线

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研究背景

枣树(Ziziphus jujuba)为温带落叶果树,物候特殊:同季完成芽分化—开花—果实发育—成熟,营养芽(非花芽)冬季休眠。枣疯病(JWB)植原体侵染后,营养芽在早春不利条件回归前即解除休眠,异常萌发形成丛枝。
枣营养芽含顶生主芽(TMB,延伸枝梢)、侧生主芽(LMB,通常休眠)、二次芽及主干休眠芽。健康株 LMB 受顶端优势(paradormancy)抑制;JWB 破坏病枝信号网络,模拟“去顶”效应,致 LMB 连续反复萌发。
机制上,植原体分泌蛋白 SJP1/SJP2(SAP11 类毒力因子)靶向 TCP 转录因子 BRC1 并诱导其降解,释放侧芽休眠。ZjBRC1 整合激素、环境及糖信号抑制腋芽萌发(抑制生长素外运、促进 ABA 积累)。糖经海藻糖-6-磷酸(Tre6P)合成/水解酶 TPS/TPP 相对活性间接抑制 BRC1。

研究结果

01

季节糖动态:芽休眠解除伴随糖消耗

结果显示LMB 中蔗糖含量在晚 5 月→晚 9 月以及晚 11 月→翌年晚 1 月两个时段上升;所有糖(蔗糖、葡萄糖、果糖)在翌年晚 1 月→晚 3 月下降,葡萄糖/果糖仅小幅波动(可能再分配至顶芽与母枝生长)。去顶处理(早 3 月切除 TMB 与二次枝,消除竞争库)后 2 周和 4 周,LMB 内源蔗糖、葡萄糖、果糖显著降低,而 Tre6P 含量升高。表明糖水平下降与去顶诱导的芽萌发相关。

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图 1 枣树侧主芽糖含量动态监测

A:萌动 — 休眠周期中侧主芽的代表性表型。比例尺 = 0.5 cm。品红色箭头指示侧主芽。LMBs:侧主芽(lateral main buds)。

B:萌动 — 休眠周期内侧主芽的内源蔗糖、葡萄糖和果糖含量。n = 3。

C–D:去顶处理后第 0、2、4 周,完整延长枝(C)与去顶延长枝(D)上侧主芽的生长情况。红色虚线代表切口位置(C);白色虚线框标示膨大的侧主芽。ESs:初生延长枝;MSs:母枝;SSs:初生延长枝上的二次枝;TMBs:顶主芽。比例尺 = 0.2 cm。

E–G:去顶处理后第 0、2、4 周侧主芽内源蔗糖(E)、葡萄糖(F)和果糖(G)含量。每个生物学重复收集侧主芽(20–50 mg),n = 3。数值为平均值 ± 标准误。差异显著性采用 SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析(P<0.05,Duncan 检验)。

02

JWB 侵染扰乱糖稳态、降低侧芽糖含量

为明确 JWB 侵染是否扰乱糖稳态,文章测定了未侵染与侵染一年生一次初生结果枝的叶片、侧生主芽和韧皮部中蔗糖、葡萄糖与果糖含量(图 2C)。与未侵染叶片相比,侵染叶片三种糖组分均积累,而侵染生长芽(IGBs)与韧皮部呈相反模式(韧皮部蔗糖水平不变)(图 2C)。综上,JWB 侵染扰乱了糖通路相关基因表达,并降低了侵染侧生主芽的糖含量。

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图 2 枣疯病植原体侵染改变了糖代谢与糖信号相关基因的表达,并降低发病侧主芽的糖含量

A-B:未侵染与枣疯病(JWB)侵染枣树一年生初生结果枝侧主芽中,光合产物代谢相关差异表达基因(DEG)的共表达聚类(A)与 GO 功能富集分析(B)。 HDB:健康休眠芽;IDB:感病休眠芽;IGB:感病生长芽。 C1、C2 模块的差异基因在 HDB 与 IDB 中表达模式相反,但在 IGB 中均呈高表达;C3 模块差异基因在 IGB 与 HDB 中表达模式相反,在 IDB 中均呈低表达;C4 模块差异基因在 IGB 中均为低表达,而在 HDB 与 IDB 中表达模式相反。 热图中红色分别代表(A)富集程度高、(B)基因上调表达。

C:未侵染与枣疯病侵染枣树一年生初生结果枝的叶片、芽体(HDB 和 IGB)及韧皮部中内源蔗糖、葡萄糖和果糖含量。 标准差来源于 3 次独立技术重复。差异显著性采用 SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析(P<0.05,Duncan 多重比较检验)。该实验重复 2 次,结果趋势一致。

03

ZjBRC1 抑制蔗糖水解、促进蔗糖积累

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图 3 ZjBRC1 抑制枝条分枝与蔗糖积累相关

A:未侵染及枣疯病植原体侵染枣树一年生初生延长枝的叶片、侧主芽和韧皮部中ZjBRC1的表达量。HESs:健康初生延长枝;PESs:枣疯病植原体侵染的初生延长枝。丽春红 S 染色作为上样对照。

B:去顶处理后第 0、2、4 周,去顶延长枝与完整延长枝侧主芽中ZjBRC1的表达量。Actin 抗体作为上样对照。 

C:brc1突变体背景下,35S::GFP 与 35S::ZjBRC1-GFP 转基因拟南芥植株腋芽特写。 

D–E:35S::GFP brc1 和 35S::ZjBRC1 brc1 转基因拟南芥的腋芽数量(D,n=30)及内源蔗糖含量(E)。 

F–G:对 Col-0 野生型植株施加不同浓度外源蔗糖处理(F)及其 RI 分枝统计(G)。移栽后 14 d(DAT),将 50、400、600 mM 蔗糖喷施于 Col-0 植株腋芽;无菌水作为空白对照(mock)。分别在移栽后 8 d、16 d 拍照记录,并于移栽后 16 d 统计 RI 分枝数量。 

H–I:采用 400 mM 蔗糖处理 35S::GFP、35S::GFP brc1 及 35S::ZjBRC1 brc1 转基因拟南芥(H)及其 RI 分枝统计(I)。G、I 中 n=12。F、H 比例尺 = 5 cm。标准差来源于 3 次独立技术重复。差异显著性采用 SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析(P<0.05,Duncan 检验)。

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补充图 S3 在 10 g/L 与 40 g/L 蔗糖处理下、表达 35S::GFP 与 ZjBRC1-SRDX 的枣愈伤中内源葡萄糖(B)与果糖(C)水平的比较。
结果显示ZjBRC1在 JWB 侵染韧皮部(图 3A)与去顶后 4 周侧生主芽(图 3B)中亦下降。为探明 ZjBRC1 积累是否与芽中蔗糖含量相关,作者在缺失型 brc1-2 拟南芥中过表达 ZjBRC1(图 3C)。表明 ZjBRC1 促进拟南芥腋芽蔗糖积累。

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图 4 表达 ZjBRC1-SRDX 的枣愈伤组织促进蔗糖代谢 
A:在添加不同浓度蔗糖的 MS 培养基上,35S::GFP 与 ZjBRC1-SRDX 枣愈伤组织的生长情况。等量枣愈伤组织分别采用 5 g/L、10 g/L、20 g/L、40 g/L、60 g/L 和 80 g/L 蔗糖处理。处理 12 d 后拍照记录。SRDX:EAR 基序抑制结构域。 
B:10 g/L 和 40 g/L 蔗糖处理条件下,35S::GFP 与 ZjBRC1-SRDX 枣愈伤组织的总可溶性糖及内源蔗糖含量比较。 
C–F:在添加 40 g/L 蔗糖的液体培养基中,35S::GFP 与 ZjBRC1-SRDX 枣愈伤组织的生长状态(C)、内源蔗糖(D)、葡萄糖(E)和果糖(F)含量。分别在处理 7 d 和 12 d 拍照记录。标准差来源于 3 次独立生物学重复(Student’s t 检验,P<0.01)。
鉴于枣 CYC/TB1-TCP 转录因子家族含三个成员(Zhou et al., 2021),以 5–80 g/L 外源蔗糖处理 ZjBRC1-SRDX 与 35S::GFP 转基因枣愈伤组织(图 S3A)。结果显示,ZjBRC1-SRDX 实为功能缺失材料而非更强抑制子,因其蔗糖水平呈预期之外的相反模式;ZjBRC1-SRDX 促进蔗糖水解,从而赋予高蔗糖耐受与细胞增殖能力。

04

ZjBRC1 直接结合并抑制蔗糖水解酶基因启动子

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图 6 ZjBRC1 直接结合ZjVIN2、ZjCIN9和ZjSUSY5启动子并抑制其表达 
A:5 个筛选出的蔗糖代谢相关差异表达基因 ATG 起始密码子上游区域中 BRC1 结合基序的分布。P1–P4:ZjVIN2、ZjCIN9和ZjSUSY5启动子上用于图 6C ChIP-qPCR 检测的 BRC1 结合基序。 
B:ZjBRC1 可直接结合ZjVIN2、ZjCIN9和ZjSUSY5启动子。数字代表 SD/-Leu 培养基中添加的金担子素 A(AbA)浓度,50 或 100 ng/mL。AD-P53 与 pAbAi-proP53 为阳性对照。 
C:ChIP-qPCR 验证 ZjBRC1 结合ZjVIN2(P1 基序)、ZjCIN9(P2、P3 基序)和ZjSUSY5(P4 基序)启动子。结果为利用抗 ZjBRC1 抗体或抗 IgG 抗体共沉淀得到的 DNA 片段相对富集量,3 次生物学重复(P<0.01,Student’s t 检验)。 
D–G:双荧光素酶实验体内验证 ZjBRC1 对ZjVIN2、ZjCIN9和ZjSUSY5启动子的调控。35S::GFP 作为阴性对照。效应载体与报告载体(D)共转化本氏烟草叶片,随后检测 LUC/REN 活性比值(E–G)。数据为 3 次生物学重复的平均值 ± 标准差。

与对照相比,ZjBRC1-SRDX 枣愈伤蔗糖含量下降(图 4D)。作者选取 8 个与蔗糖含量负相关的蔗糖水解/糖信号 DEGs,进行去顶处理下的 qRT-PCR 分析(图 S4):与完整 ESs 相比,ZjCWIN1、ZjVIN2、ZjCIN9 与 ZjSUSY5 四个蔗糖代谢 DEGs 在去顶后 2 周与 4 周表达显著升高,而 ZjHT 在去顶后 4 周降低(图 S4)。据此克隆这 5 个 DEGs 的启动子并连入 pAbAi 载体(图 6A)。Y1H 与 ChIP-qPCR 显示 ZjBRC1 直接结合 ZjVIN2、中性/碱性转化酶基因 ZjCIN9(LOC107427561)及蔗糖合酶基因 ZjSUSY5(LOC107416188)的启动子(图 6B、6C);双荧光素酶实验证实 ZjBRC1 显著削弱上述三者的启动子活性(图 6D-6G)。

05

效应蛋白 SJP2 激活蔗糖水解酶、打破稳态

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图 7 ZjVIN2、ZjCIN9 和 ZjSUSY5 催化蔗糖转化为己糖 
A–C:过表达ZjVIN2(A)、ZjCIN9(B)和ZjSUSY5(C)的本氏烟草叶片内源蔗糖、葡萄糖与果糖含量。数值为平均值 ± 标准误(n=3)。差异显著性采用 SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析(P<0.05,Student’s t 检验)。 
D:野生型(WT)与 SJP2 转基因枣树植株侧主芽的生长情况。ESs:初生延长枝;SSs:初生延长枝上的二次枝。白色箭头指示侧主芽。 E:野生型与 SJP2 转基因枣树侧主芽中ZjVIN2、ZjCIN9和ZjSUSY5的基因表达量。 
F–H:野生型与 SJP2 转基因枣树侧主芽中酸性转化酶(AINV,F)、中性 / 碱性转化酶(NINV,G)和蔗糖合酶(SUSY,H)的酶活性(n=3,P<0.05,Duncan 检验)。AINV:酸性转化酶;NINV:中性或碱性转化酶;SUSY:蔗糖合酶。
转化酶(Minami et al., 2021)与蔗糖合酶(Ruan, 2014)是蔗糖代谢的关键酶,催化蔗糖生成果糖与葡萄糖或 UDP-葡萄糖。以 AutoDock Vina 预测 ZjVIN2、ZjCIN9 与 ZjSUSY5 与底物的互作,显示三者通过氢键与底物强烈结合:蔗糖、果糖与葡萄糖结合 ZjVIN2 的 ASP190 与 TRP242,以及 ZjCIN9 的 GLN-313、ARG-317 与 ALA-367(图 S6);蔗糖、果糖与 UDP-葡萄糖结合 ZjSUSY5 的 LEU-810 与 SER-812(图 S6)。
在本氏烟(N. benthamiana)叶片瞬时过表达(图 S7)中,ZjVIN2 与 ZjCIN9 均降低蔗糖含量并略升果糖与葡萄糖(图 7A–7C),ZjSUSY5 降低蔗糖并升高果糖(图 7C),表明三者具有水解蔗糖的酶活性。
ZjBRC1 积累受 JWB 效应蛋白 SJP1 与 SJP2 抑制,作者采用 SJP2 转基因枣株系,以 qRT-PCR 检验该效应蛋白是否影响生长中 LMBs 内 ZjVIN2、ZjCIN9 与 ZjSUSY5 的表达(图 7D)。与野生型(WT)枣相比,SJP2 转基因株系生长中 LMBs 内 ZjVIN2 与 ZjCIN9 显著上调,ZjSUSY5 仅在 19 号株系升高(图 7E);液泡酸性转化酶 AINV(图 7F)、中性/碱性转化酶 NINV(图 7G)与蔗糖合酶 SUSY(图 7H)的总酶活性在 SJP2 株系中也升高。综上,JWB 效应蛋白 SJP2 通过促进 ZjVIN2、ZjCIN9 与 ZjSUSY5 表达来增强蔗糖水解。

06

ZjVIN2 是连接蔗糖水解与侧芽萌发的扳机

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图 8 ZjVIN2 促进蔗糖代谢并增加 RI 分枝数量
A,早春时期,未感染和枣疯病(JWB)侵染的初代枣组培苗(ESs)侧主芽中ZjVIN2基因的表达水平。HDB:未感染休眠芽;IGB:感病生长芽。
B,35S::GFP 与 35S::ZjVIN2‑GFP 转基因枣愈伤组织中内源蔗糖、葡萄糖和果糖含量。所有转基因愈伤组织随机取样,分为 3 份样品;标准差来自 3 次独立技术重复。A、B 图采用学生 t 检验(P<0.01,P<0.05)。
C,MS 培养基播种 10 天后,35S::GFP 和 35S::ZjVIN2‑GFP 转基因幼苗表型。标尺 = 1 cm。
D‑F,播种 10 天后,35S::GFP 与 35S::ZjVIN2‑GFP 转基因幼苗的根长 (D)、干重 (E) 以及蔗糖含量 (F)。
G‑H,播种 50 天后,35S::GFP 与 35S::ZjVIN2‑GFP 转基因株系的地上部分分枝表型 (G) 以及莲座叶一级分枝数量 (H)。误差棒代表标准差;n=16。D、E、F、H 图采用邓肯多重比较检验(P<0.05)。
为验证增强的蔗糖代谢与 LMB 萌发相关,作者比较了 HDB 与 IGB 间三者的表达:与 HDB 相比,IGB 中 ZjVIN2 显著上调、ZjCIN9 略升,而 ZjSUSY5 不受影响(图 8A)。枣愈伤过表达 ZjVIN2(图 8B)与体外酶活性测定(图 S9)均显示其催化蔗糖转化为果糖与葡萄糖。因此选用 ZjVIN2 评估其在分枝调控中的作用。
进而以 CaMV 35S 启动子在拟南芥中异位表达 ZjVIN2:播种于 1/2 MS 培养基 10 天后,35S::ZjVIN2 幼苗较 35S::GFP 株系生长更快(图 8C),根长(图 8D)与干重(图 8E)增加;其蔗糖含量显著降低(图 8F)。土培 50 天后,35S::ZjVIN2 植株的 RIs 多于 35S::GFP 株系(图 8G-8H)。结果表明,ZjVIN2 通过诱导蔗糖转化为葡萄糖与果糖来促进植株生长与分枝。

07

整合模型:ZjBRC1–蔗糖代谢负反馈环路

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图9 模型与意义
       提出 Fig 9 模型:ZjBRC1 与蔗糖代谢/信号构成负反馈环路调控芽萌发;植原体效应子 SJP2 通过“去抑制”打破该环路,人为激活糖信号、解除休眠,形成枣疯病症状并为自己供给能量(葡萄/果糖经糖酵解产能)。

结论

 1. ZjBRC1 是蔗糖水解的“开关”:在多年生木本枣树的休眠侧芽中,ZjBRC1 至少部分通过直接抑制蔗糖降解酶 ZjVIN2、ZjCIN9、ZjSUSY5 的活性,促进蔗糖积累、维持芽休眠与低分枝。 
2. 枣疯病的致病机制:JWB 侵染后,效应蛋白 SJP2 扰乱 ZjBRC1 表达与蔗糖积累之间的平衡,去抑制(derepress)ZjBRC1 控制的蔗糖水解,激活糖信号(Tre6P 通路、糖酵解/TCA/OPPP),解除 LMB 休眠,产生典型丛枝症状(利于吸引昆虫介体)。植原体自身可能利用释放的葡萄糖/果糖经完整糖酵解产生 NADH 与 ATP。
 3. 形成负反馈调控环:ZjBRC1 调控糖代谢与信号,构成一个控制多年生木本果树芽萌发的复杂直接负反馈回路(图 9 模型)。 
4. 未解问题与展望:SJP1/SJP2 及其同源蛋白介导 BRC1 降解的具体机制仍不清楚;BRC1 控制的蔗糖代谢在植物生长与病原防御中的生物学功能有待进一步阐明。
参考文献:
Fuli Ma, Lei Zhong, Yu Liu, Zhenyuan Zhang, Yunyan Zheng, Jia Si, Mingsheng Deng, Junyong Zhou, Qibao Sun, Jun Sun, Derepression of BRANCHED1-controlled sucrose hydrolysis drives bud outgrowth and phytoplasma-induced symptoms in Ziziphus jujuba, Plant Physiology, Volume 202, Issue 2, October 2026, kiag702, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag702.