二甲双胍增强植物免疫力的机制研究
二甲双胍通过阻断Bik1介导的CPK28磷酸化增强植物免疫
学术背景
在全球食品安全问题日益严峻的背景下，作物病害的控制成为了农业生产的重大挑战。传统的化学农药虽然能有效控制病害，但其过度使用带来的环境污染和健康问题不容忽视。因此，开发能够激活植物自身免疫系统的化学诱导剂，成为了一个可持续的病害防治策略。二甲双胍（Metformin, Met）作为一种广泛应用于2型糖尿病治疗的药物，其在哺乳动物细胞中的功能已被广泛研究，但在植物中的作用机制仍不明确。本研究旨在探讨二甲双胍在诱导植物免疫中的作用及其相关机制，为开发新型植物免疫诱导剂提供科学依据。
研究来源
本研究的作者团队由多所知名大学和研究机构的专家学者组成，包括来自南京农业大学的Daolong Dou和华南农业大学的Xiangxiu Liang等。研究于2024年2月22日被接受，并于2024年3月3日在线发表于《Journal of Advanced Research》（2025年第68卷）。
研究流程与结果
研究流程
二甲双胍对植物免疫的诱导作用
研究人员首先通过喷洒不同浓度的二甲双胍处理拟南芥叶片，检测防御基因（如FRK1、GST1、PR1和NHL10）的表达水平。结果表明，二甲双胍能显著上调防御基因的表达，并且这种诱导作用呈现剂量依赖性。
随后，研究人员通过ROS（活性氧）积累、MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）磷酸化等实验，验证了二甲双胍对植物免疫反应的增强作用。结果显示，二甲双胍能显著诱导ROS的积累和MAPK的磷酸化，表明其能激活植物免疫系统。病原菌感染实验
为了进一步评估二甲双胍对植物病害的防控效果，研究人员在拟南芥叶片上喷洒不同浓度的二甲双胍，然后接种病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) DC3000。结果表明，二甲双胍能显著增强植物对病原菌的抗性。此外，二甲双胍还能增强番茄、大豆和辣椒等作物对Phytophthora capsici等病原菌的抗性。二甲双胍的作用机制探究
通过表面等离子体共振（SPR）和微量热泳动（MST）技术，研究人员发现钙依赖性蛋白激酶28（CPK28）是二甲双胍的潜在靶标。进一步实验表明，二甲双胍通过阻断Bik1与CPK28的相互作用，抑制了Bik1介导的CPK28磷酸化，从而缓解了CPK28对免疫反应的负调控作用。
分子对接实验预测，二甲双胍与CPK28激酶区域中的T76和D209形成氢键，从而抑制CPK28的功能。突变实验证实，T76位点是二甲双胍结合CPK28并抑制其功能的关键位点。
主要结果
- 二甲双胍能够显著增强植物对病原菌的抗性，并通过激活MAPK、上调防御基因表达和增强ROS爆发来诱导植物免疫反应。
- CPK28是二甲双胍的直接靶标，二甲双胍通过阻断Bik1与CPK28的相互作用，抑制了Bik1介导的CPK28磷酸化，从而缓解了CPK28对免疫反应的负调控。
- 二甲双胍在番茄、大豆和辣椒等作物中表现出广谱的抗病原菌活性，表明其具有潜在的应用价值。
研究结论
本研究发现，二甲双胍及其衍生物构成了一类新型的广谱植物免疫诱导剂。二甲双胍通过靶向CPK28并抑制Bik1介导的CPK28磷酸化，增强了植物的免疫反应。这一机制为开发新型植物免疫诱导剂提供了理论基础。此外，本研究还展示了植物系统作为研究二甲双胍功能和机制的模型的可能性，为探索二甲双胍在哺乳动物中的其他作用提供了新思路。
研究亮点
- 新颖的植物免疫诱导剂：本研究首次发现二甲双胍及其衍生物可作为广谱植物免疫诱导剂，为可持续的植物病害防治提供了新的化学工具。
- 机制的揭示：研究人员首次阐明了二甲双胍通过阻断Bik1与CPK28的相互作用来增强植物免疫的分子机制，为理解植物免疫调控提供了新的视角。
- 潜在的应用价值：二甲双胍在多种作物中表现出显著的抗病原菌活性，展示了其在农业生产中的潜在应用价值。
意义与价值
本研究不仅为开发新型植物免疫诱导剂提供了科学依据，还为探索二甲双胍在哺乳动物中的其他作用和机制提供了新思路。通过激活植物自身免疫系统来防治病害，能够减少化学农药的使用，从而降低环境污染和健康风险。此外，本研究展示了植物系统作为研究二甲双胍功能和机制的模型的可能性，为未来的相关研究提供了新的方向。