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当病原体攻击时，植物怎样感知威胁并产生防御机制？科学家有重大发现，将有助提高农作物产量

花匠小妙招
2024-11-12 05:59

当病毒或细菌准备攻击植物时，植物是怎样知道有威胁，并产生防御机制的？北京时间8月24日23:00，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心Rosa Lozano Duran 研究团队在国际著名学术期刊《细胞》上发表论文，揭示了病原体（例如病毒和细菌）攻击的“警报“信息在植物细胞内的传递路径。这一研究发现为设计植物保护策略、开发新的抗病品种提供了新思路，在提高植物健康水平，提高农作物产量等方面都有积极意义。

此前，植物受到攻击的“警报“信息如何传递并不完全清楚

植物是地球上几乎所有生命的基础，它们通过光合作用将太阳能转化为化学能，并产生人类赖以生存的氧气。植物与人类的衣食住行也有着千丝万缕的联系。但是，植物本身也要面对来自周围的各种威胁，包括植物病原体（例如病毒和细菌）的攻击，造成植物生病甚至死亡。

在长期进化过程中，植物形成了一系列复杂且巧妙的机制来感知病原体的威胁，并产生相应的防御反应，从而阻止或消除病原体的入侵。

此前，科学家已经知道，植物对危险信号的识别和响应发生在植物细胞层面。植物细胞表面有一层细胞膜，其外侧是潜在病原体接触的重要场所。植物需要通过细胞膜感知特定的分子以了解潜在攻击者的存在，并发出“警报”。这些“警报”必须传递到细胞内部，到达包括叶绿体在内的不同细胞区室。叶绿体为植物特有的、进行光合作用的细胞器，同时也在调节植物对刺激响应中起着核心作用。这些“警报”信号最终到达存储遗传物质的细胞核，调节植物抗病基因表达。

但是，此前，这种“警报”信息如何在细胞内传递尚不完全清楚。

病毒和细菌的效应蛋白挟持植物中一条细胞膜到叶绿体的抗病信号途径以抑制植物免疫。

重大发现，揭开“警报”信息传递途径

8月24日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心Rosa Lozano Duran 研究团队在国际著名学术期刊《细胞》上发表论文，揭开了“警报”信息传递路径，这是一条连接细胞膜和叶绿体的重要信号传递途径。为了揭开这个秘密，研究团队在各自长期学术研究的基础上，进行了4年左右的专题攻关。

论文报道了一些植物蛋白如何与细胞膜相关联，并在感知病原体存在时，如何从细胞膜转移至叶绿体内部，“警告”叶绿体有威胁存在。紧接着，叶绿体通过“逆行信号传递”过程，将这些信息传递至细胞核，从而调节抗病基因表达，激活防御以对抗入侵者。该途径是植物细胞将危险信号从外界传递到叶绿体的策略之一，并能快速、及时、准确地整合信号，产生适当的下游响应。

有趣的是，这项研究还发现，病原体可以劫持这种在植物细胞内部传递信息的途径。一些来自植物病毒和病原细菌的蛋白质可以巧妙地“模仿”上述植物蛋白质的行为，与细胞膜结合，当植物细胞感受到攻击时，也可以移动至叶绿体。一旦进入叶绿体内部，这些病原体蛋白会损害叶绿体与细胞核之间的通讯，从而阻碍植物防御反应的激活，帮助病原体生存和繁殖。这项研究发现，不同类别的病原体都会进化出相似的策略来利用这种植物途径，达到抑制植物防御的目的，这也有力证明了这条连接细胞膜和叶绿体的信号传递途径在植物与微生物相互作用中起着核心作用。

植物细胞膜（绿色）与叶绿体（橙色）相联系，图中背景的亮点代表两者之间传递的信息。艺术设计者：Toyi Matos（插画家）

将有助设计植物保护策略，提高农作物产量

这一重大发现的意义在哪里？

Rosa说，这种新途径的发现为设计植物保护策略、开发新的抗病品种提供了新思路。下一步，她和团队将研究如何利用这个机制让植物更健康。在粮食安全领域，可以减少真菌、细菌、病毒等多种植物病原体对农作物造成的危害，从而提高农作物产量。

Rosa是西班牙籍科学家。2015年，她来到上海，成立了自己的独立研究组，实验室设在中科院上海辰山植物科学研究中心。她所带领的团队主要研究植物病毒如何引起疾病，尤其关注研究病毒如何对细胞功能进行操纵。

Rosa研究员在温室认真观察植物。