《自然》刊登上海團隊成果:發現植物兩大免疫系統協同抗敵
2021年03月11日00:04

原標題:《自然》刊登上海團隊成果:發現植物兩大免疫系統協同抗敵

在與病原菌長期“博弈”中,植物的雙層免疫系統曾被認為是兩支獨立部隊,各自鎮守一方。

這一成果揭示:植物兩大類免疫通路PTI和ETI並非獨立發揮功能,而是存在相互放大的協同作用,從而保障植物在應對病原菌的入侵時能夠輸出持久且強烈的免疫響應。

植物免疫系統協同放大活性氧產生來抵抗病原菌的入侵  本文圖片均為受訪者供圖
植物免疫系統協同放大活性氧產生來抵抗病原菌的入侵 本文圖片均為受訪者供圖

辛秀芳是一名85後女研究員,她帶領的團隊,平均年齡只有20多歲。他們的研究,為人們重新認識和理解植物免疫提供了重要理論依據,為後續通過整合植物雙層免疫系統,培育優良持久抗病的農作物品種提供了新思路。

兩支“免疫部隊”曾被認為獨立平行

植物免疫系統與病原微生物之間,有一場長期且互相博弈的戰鬥。

自然界中,植物時刻面臨著由各種複雜多變的外界環境帶來的生存威脅,其中病原微生物如細菌、真菌和卵菌等,嚴重威脅植物生命,給全球糧食安全帶來巨大挑戰。據辛秀芳介紹,為應對這些外敵,植物進化出了兩支“免疫部隊”。

辛秀芳研究員

細胞膜表面的受體蛋白,能識別病原菌所攜帶的一些分子,如鞭毛蛋白,從而激活植物的第一層免疫系統(稱為PTI),來抵抗病原菌的入侵,這是免疫系統的“第一部隊”。

作為對策,成功入侵的病原菌會通過向植物細胞內分泌一類毒性蛋白,從而反過來攻擊植物的免疫系統,以利於其侵染植物。

此時,植物的第二支“強力部隊”出現了:植物細胞內的另外一類受體蛋白,可感知病原菌的一些毒性蛋白,從而觸發植物的第二層免疫系統(稱為ETI),激活更強烈的免疫反應來抵抗病原菌的攻擊。

由於兩層免疫系統中,不同免疫受體識別不同的病原菌來源的分子,而且免疫受體激活的機製有很大不同,之前絕大多數植物免疫領域的研究,都將兩條免疫通路作為兩個獨立平行的免疫分支。

兩支“免疫部隊”的關係一直以來尚不清楚,這也成為了植物免疫領域尚待解決的重要科學問題之一。

精密分工合作,讓活性氧大量產生

辛秀芳團隊的研究,破解了這一謎題。

辛秀芳研究團隊

研究發現,植物的第一層免疫系統(PTI)對激活第二層免疫系統(ETI)輸出正常的免疫反應,尤其是在調控活性氧的產生方面起有重要作用。

活性氧作為能夠直接殺死病原菌的分子,以及放大植物其它免疫事件的信號,對植物抵抗病原菌的入侵具有重要作用。

該研究揭示了植物兩層免疫系統,通過精密地分工合作,讓活性氧大量產生,其中第二層免疫系統(ETI)負責增強活性氧合成酶RBOHD蛋白的表達,而第一層免疫系統(PTI)促進RBOHD蛋白完全激活,二者缺一不可。

這一精巧的合作機製,能夠保障植物在面臨病原菌的侵染時,快速準確地輸出足夠的免疫響應,同時在植物面臨不同微生物(如非致病或致病力弱的微生物)時,避免過度的免疫輸出,從而確保植物平衡生長和環境脅迫的抗性反應。

“可以把ETI系統免疫看作是植物的武器炮彈,而PTI則主要負責將炮彈點燃,以激活更強的免疫輸出(如產生大量活性氧)。”辛秀芳打了一個比喻來解釋這一機製。

有趣的是,研究還發現,植物的第二層免疫系統(ETI)通過增強第一層免疫系統(PTI)核心蛋白組分的表達,誘導後者更持久地進行“武力輸出”。

近年來,隨著全球氣候變化,農作物病害的爆發嚴重影響了全球糧食安全。該項研究成果不僅揭開了植物不同免疫系統間的親密關係,建立了新的植物免疫系統架構模型,也為後續通過整合植物雙層免疫系統來培育優良持久抗病的農作物品種提供了新思路。

植物免疫系統協同工作模型

辛秀芳研究組博士研究生袁民航為論文第一作者,辛秀芳研究員為通訊作者。研究組博士研究生江澤宇、蔡博瑩、博士後王易平和河南大學聯培研究生劉夢彙為共同作者。

該研究得到了中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民研究員及其實驗室畢國誌博士和美國杜克大學Sheng Yang He教授及其實驗室Kinya Nomura博士的大力支援與幫助。本課題得到分子植物科學卓越創新中心、植物分子遺傳國家重點實驗室和中國科學院項目等的資助。

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