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科學家揭示植物雙層免疫系統交互作用的機制

2021-03-11 分子植物科學卓越創新中心
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語音播報

[video:辛秀芳研究組揭示植物雙層免疫系統交互作用的機制]

  3月11日,《自然》(Nature)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員辛秀芳課題組題為Pattern-recognition receptors are required for NLR-mediated plant immunity的研究論文。該研究揭示了植物兩大類免疫系統在功能上交互作用的機制,為全面理解植物的免疫系統架構提供了新的視角。

  自然界中,植物為抵抗多種病原菌的入侵,已進化出兩層先天免疫系統。其中,第一層免疫系統是由細胞膜定位的模式識別受體PRRs(Pattern-recognition receptors)直接識別病原菌的病原相關分子模式PAMPs(Pathogen-associated molecular patterns)而觸發的植物免疫,稱為PTI(Pattern-triggered immunity);第二層免疫系統是由位于胞內的NLR(Nucleotide-binding,Leucine-rich Repeat proteins)受體蛋白直接或間接地感知病原菌的效應因子(Effectors)從而觸發的植物免疫,稱為ETI(Effector-triggered immunity)。前期的大量研究發現,PTI和ETI在識別機制及早期信號轉導上存在較大差異,因此,傳統上人們認為PTI和ETI是相互獨立的系統。但是,學界尚不清楚PTI和ETI是否存在功能上的直接關聯。

  該研究中,研究人員發現擬南芥的PRRs及其共受體的多突變體很大程度地喪失了由多種效應因子觸發的植物ETI免疫抗性,該結果表明,PRRs及其共受體對NLRs激活正常的免疫反應起重要作用。深入研究發現,PRRs及其共受體對效應因子AvrRpt2激活的ETI免疫反應中活性氧ROS的產生具有重要意義。在ETI免疫反應過程中,活性氧ROS的產生主要由RBOHD蛋白介導。該研究發現,ETI能夠顯著上調RBOHD的mRNA及蛋白水平,但該蛋白的磷酸化修飾和完全激活依賴于PTI信號,因此,植物兩層免疫系統通過精密的分工合作來實現對RBOHD的調控和活性氧的大量產生。該合作機制可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。

  此外,該研究還發現ETI會強烈上調一些PTI重要信號組分(包括BAK1、BIK1和RBOHD等)的轉錄和蛋白水平。這表明,在ETI過程中,PTI信號組分被增強,使得PTI信號通路整體被上調,從而誘導起更持久的免疫輸出。該研究揭示了PTI和ETI免疫系統之間的協同互作模式,為看似獨立的PTI和ETI免疫系統存在諸多相似的下游免疫反應提供了一個重要解釋。該研究成果也為自然界中通過增強PTI通路來達到加強ETI響應,從而使植物更加抗病提供了理論依據。

  辛秀芳課題組博士研究生袁民航為論文第一作者,辛秀芳為論文通訊作者。課題組博士研究生江澤宇、蔡博瑩和博士后王易平以及河南大學聯培研究生劉夢匯為論文的共同作者。研究工作得到中科院遺傳與發育生物學研究所研究員周儉民及其實驗室博士畢國志、美國杜克大學教授何勝洋及其實驗室博士Kinya Nomura的幫助,獲得分子植物卓越中心、植物分子遺傳國家重點實驗室和中科院項目等的資助。

  論文鏈接

  主要成果總結。(A)上圖為抗病植物表型,下圖為感病植物表型。(B)不同菌處理植物后,活性氧ROS的產生情況。D36E(avrRpt2)菌株在野生型Col-0植物中能同時激活PTI和ETI。綠色熒光指示活性氧ROS,紫色熒光代表葉綠體自發熒光。(C)文章研究結果的模型圖。圖中右邊表示正常植物,能夠同時激活第一層PTI和第二層ETI免疫系統,因此存在協同作用,抵抗病原菌的侵染;左邊是第一層免疫系統PTI缺失的突變體,不能誘導起正常的ETI免疫反應,從而缺失了植物抗性。

打印 責任編輯:張芳丹

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