为了抵御病虫害等外界威胁，植物进化出复杂的免疫系统。然而，过度的免疫反应往往以牺牲植物生长为代价。理解植物生长发育与免疫之间的平衡调控机制一直是植物学研究的热点问题。丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）组成的级联是真核生物中高度保守的信号通路，调控多个关键植物生长发育过程，同时在植物免疫过程中发挥重要功能。拟南芥MPK3/MPK6级联以及MPK4级联是植物学研究中最受关注的两条MAPK信号通路。其中MPK4级联功能缺失突变体植物同时表现出严重的生长发育缺陷和持续激活的自身免疫等表型。多种表型混杂在一起，使得单纯利用传统mpk4突变体等作为主要研究材料去解析MPK4在特定生长发育或植物免疫过程中的功能及其机制十分困难。
近日，浙江大学徐娟课题组在Plant Physiology发表了题为“Chemical-sensitized MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE 4 provides insights into its functions in plant growth and immunity”的研究论文。该研究建立了一个条件型失活mpk4突变体研究体系，对MPK4在植物生长/发育和免疫过程中的功能提出了新见解。
通过定点突变改变激酶ATP-binding pocket的空间结构后，激酶的活性可被ATP结构类似物NA-PP1特异抑制，从而导致该激酶无法结合ATP而失去活性。利用该化学分子遗传学手段，研究人员成功建立了条件型MPK4活性缺失突变体MPK4SR (SR: Sensitized-variant Rescued; 基因型: PMPK4:MPK4YG mpk4，图1)。通过一系列的生化以及植物体内实验，研究人员证明NA-PP1抑制剂可以特异并高效地抑制MPK4YG变体（variant）的活性。因此可以在任意阶段处理正常生长发育的MPK4SR植物，使用NA-PP1即时关闭MPK4级联信号，进行不同条件下的表型观察等研究，这为分开研究MPK4在不同时空中的多个功能提供了可能。
图1. 条件型MPK4活性缺失突变体MPK4SR的构建与验证
研究发现，在前期正常生长发育的植物中短期抑制MPK4信号通路不影响植物的抗病性，但随着对MPK4活性抑制的延长至3天左右，植物表现出生长停滞，同时对病原菌的抗性显著增强。转录组分析显示，MPK4在调控植物多种基础生命过程（如有丝分裂、转录启动、细胞壁大分子分解）中发挥着至关重要的作用。此外，本研究发现MPK4持续弱激活的MPK4CA转基因植株表现出提前开花和叶片衰老的表型。MPK4CA植物对病原菌抵抗力的降低与提前衰老的表型密切相关。这些结果进一步凸显了MPK4在植物生长发育调控中不可或缺的作用，同时表明MPK4在植物生长与免疫适应之间的微妙平衡中起着关键作用。
本研究中MPK4SR体系为研究MPK4在植物生长发育与免疫的功能提供了全新的工具。研究者可以利用化学试剂时空特异地即时有效抑制MPK4激酶活性，避免了传统突变体中因长期缺失MPK4活性导致的严重生长发育缺陷或者自身免疫等复杂表型对研究的干扰。因此可作为传统T-DNA插入mpk4突变体研究体系的重要补充。欢迎感兴趣的同行利用该材料进一步深入探究MPK4级联的功能及其分子机制。
浙江大学生命科学学院徐娟教授为本文通讯作者，博士后张严为本文的第一作者，美国密苏里大学张舒群教授对本研究提供了重要指导，中国农业大学任东涛教授和南京林业大学叶亚进教授参与了研究。本研究得国家自然科学基金与浙江省自然科学基金等项目的资助与支持。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae574
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