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Nature“背靠背”:揭示植物免疫系统PTI和ETI协同作用的新机制

花匠小妙招
2024-09-25 18:13

2021-05-18 15:39 点击次数：18863 关键词：植物免疫

在自然界中，植物会面临复杂多变的外界环境带来的生存威胁，除了极端温度、旱涝等非生物性侵害，还有细菌、真菌和卵菌等生物性的侵害严重威胁植物的生存，给全球粮食安全与物种多样性带来了巨大的挑战。

植物与病原微生物长期协同进化过程中，形成了双层次的防御体系抵抗病原的侵染。长期以来，植物免疫系统主要分为两类：

（1）植物通过细胞膜定位的模式识别受体（PRRs）直接识别病原菌的病原相关分子模式（PAMPs）而触发植物的第一层免疫系统（pattern-triggered immunity, PTI），来抵抗病原菌的侵染。

（2）成功入侵的病原菌会向植物细胞内分泌毒性蛋白，进而攻击植物的免疫系统以便其进一步侵染植物，植物会通过细胞内的NLR受体蛋白直接或间接地识别病原菌的效应子（effector）从而触发了植物的第二层免疫系统（effector-triggered immunity, ETI)，激活更加强烈的免疫反应来抵抗病原菌的侵染。

长期以来，PTI和ETI在识别机制及早期信号转导上存在较大差异，被认为是相对独立的两类系统。但随着植物免疫学研究的广泛和深入，PTI和ETI从相对独立变得交叉模糊。而研究PTI和ETI如何相互作用以抵抗病原体也成为了植物免疫学亟需解决的重要科学问题之一。

2021年3月10日，Nature杂志“背靠背”在线发表了两篇文章，阐释了植物免疫系统中PTI和ETI之间的相互增强作用，其对植物抗病及作物改良具有重要意义。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究员及其团队组发表了题为“Pattern-recognition receptors are required for NLR-mediated plant immunity”的研究论文，该研究利用拟南芥的PRR和PRR共受体突变体感染病原体模型，研究发现NADPH氧化酶RBOHD的磷酸化促进了活性氧（ROS）的产生，是连接PRR和NLR介导的免疫系统的早期关键信号事件，受体样细胞质激酶BIK1的磷酸化是ETI系统中RBOHD完全激活、基因表达和细菌抗性所必需的。此外，NLR信号迅速增加了PTI信号因子的转录和蛋白质表达。该研究揭示了PTI和ETI免疫系统之间的协同互作模式，同时ETI和PTI免疫系统存在诸多相似的下游免疫反应，此外自然界中通过增强PTI通路来达到加强ETI响应，从而为植物抗病性的增强提供了理论依据。

PTI是ETI的关键组成部分

在野生型植物中，RPS2基因的激活会导致PTI系统中关键蛋白质的积累（包括BIK1和RBOHD）并增强PTI系统相关基因（如WRKY29和AZIs）的转录。ROBHD的完全激活（通过磷酸化作用）需要PRR/共受体以产生强烈的ROS并激活ETI免疫系统。在缺乏PRR/共受体的情况下（上图左），NLR受体的激活仍会诱导PTI系统的某些组分的表达，但这些组分中大多都处于非活性状态（如BIK1和RBOHD），并导致ROS产生不足和ETI系统无法激活。

注：突变蛋白（FLS2、BAK1）或无活性的蛋白（RBOHD、BIK1）为灰色，而活性蛋白为绿色。

英国赛恩斯伯里实验室Jonathan D. G. Jones教授及其团队发表了题为“Mutual potentiation of plant immunity by cell-surface and intracellular receptors”的研究论文，该研究通过可诱导性ETI免疫系统，分析了拟南芥中PTI和ETI两种不同的免疫系统之间的相互作用。该研究发现植物细胞表面受体对病原体的识别会激活多种蛋白激酶和NADPH氧化酶，同时还发现细胞内受体主要通过几种机制增加蛋白的丰度来增强这些蛋白的激活。此外，依赖于细胞内受体的超敏反应通过细胞表面受体的激活而大大增强。因此，植物中细胞表面和细胞内受体激活的免疫途径相互增强，从而增强了对病原体的防御能力。

ETI激活期间PTI信号元件的基因表达（RNA-seq）

相较于PTI，ETI与PTI同时激活能诱导持续时间更久的BIK1，RBOHD以及MPK3的磷酸化，然而ETI自身激活并不能激活RBOHD和MAPK的磷酸化。ETI与PTI同时激活使得PTI信号通路中多种蛋白表达量增多（BIK1, RBOHD, MPK3, BAK1等），但是其他重要元件 (如MPK4, MPK6, FLS2等) 并没有表现出蛋白量的变化。与此同时，ETIAvrRps4 的转录组数据说明ETI自身激活可以诱导很多PTI元件的表达量显著提高（红色：上调，蓝色：下调），从而ETI的激活增强了PTI信号通路。

综上所述，两项研究从不同的研究角度，阐述了植物细胞表面与胞内受体协同作用促进植物免疫响应—— ETI 通过诱导提高 PTI 信号成分的转录量来促进PTI，而PTI通过MAPKs和NADPH信号来保证ETI完整抗性功能的正常发挥。

值得注意的是，以上两项研究均使用了Invent公司 MinuteTM Plasma Membrane Protein Isolation Kit for Plants(cat#SM-005-P)作为分离细胞膜及细胞组分的工具，为研究植物细胞表面受体和细胞内受体BAK1、BIK1、RBOHD等提供了简便方案。

具体研究——Pattern-recognition receptors are required for NLR-mediated plant immunity

AvrRpt2-triggered ROS is mediated by RBOHD and requires PRR/co-receptors

BIK1 is required for phosphorylation of RBOHD, immune gene expression and resistance during ETI

ETI upregulates key components of the PTI pathway

具体研究-Mutual potentiation of plant immunity by cell-surface and intracellular receptors

ETI potentiates the activation of PTI signalling components

Accumulation of PTI signalling components during ETI

MinuteTM Plasma Membrane Protein Isolation Kit for Plants (cat#SM-005-P)利用离心管柱技术可在1小时左右将植物组织分离为细胞核，细胞浆，细胞器及质膜组分，无需超高速离心及液氮研磨，不添加表面活性剂及EDTA，分离的组分可应用于各类下游实验，如 SDS-PAGE，WB，ELISA，IP，膜蛋白质结构分析，2-D，酶活性测定等，是植物免疫研究中不可或缺的膜蛋白分离工具。

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