Nature 背靠背 | 王源超点评，中英科学家揭示了植物免疫响应PTI与ETI的协作机制 (I)
编 者 按
王源超点评（南京农业大学，教授）
和动物一样，植物也有自己的免疫系统，解析植物免疫形成的机理对发展绿色病虫害防控技术具有重要的科学意义和应用价值。植物免疫理论的主要框架形成于2006年,即英国学者Jonathan Jones和美国学者Jeffery Dangl 于2006年提出“Zig-Zag”模型，该模型总结了病原相关分子模式触发的免疫反应PTI、效应子触发的敏感性ETS和效应子触发的免疫ETI之间的关系。
传统上认为PTI和ETI是独立发挥作用，但是又存在很多相似之处。辛秀芳研究团队和Jonathan Jones研究团队利用拟南芥的ETI诱导激活系统和拟南芥的PTI缺失系统，分别全面系统地解析了两类抗病基因CNL和TNL介导的ETI对PTI的依赖关系。该研究发现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。该结果解析了PTI和ETI下游长期以来观察到的相似之处，从概念上将植物免疫理论PTI和ETI两个主要的免疫信号通路结合在一起，完善了现代植物免疫的理论框架。
论文详解 (I)
撰文 | Ella
研究背景
2006年，Jeffery Dangl 和Jonathan Jones教授提出了植物免疫领域的奠基理论: Zig-Zag模型[1]。简而言之，植物利用细胞表面和胞内两大类免疫受体，识别各类病原菌（细菌，真菌，卵菌，病毒等），产生免疫反应从而保护自身。其中，细胞表面免疫受体也被称为模式识别受体 (pattern-recognition receptors, PRRs)，在细胞表面识别一类特定分子 (pathogen associated molecular patterns, PAMPs)。PAMP被特异的PRR识别，所产生的免疫反应称为PTI (PAMPs-triggered immunity)，其中PTI激活的典型免疫反应包括钙离子内流，活性氧 (ROS, reactive oxygen species) 生成，MAPK级联通路的激酶激活以及大量防卫相关基因的诱导表达。为了抵抗PTI，病原菌会向寄主植物细胞内分泌效应蛋白 (effector)，造成植物感病。然而植物胞内一类包含核苷酸结合结构域和亮氨酸富集重复区的受体类蛋白 (NLR, nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat receptor) 可以有效识别病原菌效应蛋白，其激活的免疫反应被称为ETI (effector-triggered immunity)。根据蛋白N端结构域的不同，一般NLR被分为TIR (Toll/Interleukin-1 receptor/Resistance protein)-NLR和CC (coiled-coil)-NLR两大类。在本研究中，作者通过一系列严谨而精致的实验设计，阐明了PRR与NLR协同作用，PTI和ETI互相促进激活植物免疫信号通路的全新机制。
主要研究结果
（1）在之前的研究中，Jonathan Jones团队报道了一个雌二醇介导的ETI诱导系统[2]。经雌二醇处理后，效应子AvrRps4表达量被诱导，从而激活TIR-NLR RRS1和RPS4介导的ETI (ETIAvrRps4)。有趣的是，ETIAvrRps4的诱导激活并没有激活所有免疫反应，例如活性氧爆发(ROS)和MAPK的激活。在本研究中，作者首先发现了在PTI激活条件下，ETI的激活可以增强若干PTI所激发的免疫反应 (图1)，包括ROS、细胞壁胼胝质堆积以及PTI指标性基因表达的显著提高。相比于单纯的PTI反应，PTI ETI在第三阶段(phase III)中出现明显的峰值，这也成为了其ROS总量显著提高的主要贡献。相类似的趋势在CC-NLR的ETI诱导系统中(ETIAvrRpt2) 也得到印证。与ETIAvrRps4稍有不同的是，ETIAvrRpt2所增强的ROS并没有在第三阶段形成明显的峰值。PTI方面，除flg22(细菌鞭毛蛋白活性被识别短肽)外，作者也测试了其他PAMPs，包括elf18, pep1, C10:0, nlp20和chitin，得到的结果均与flg22类似。
（2）2014年，英国塞恩伯斯研究所Cyril Zipfel实验室与中科院遗传所周俭民实验室先后发表了PRR激活后，胞内激酶BIK1磷酸化NADPH氧化酶RBOHD，从而激活活性氧的爆发[3,4]。此外，PTI的激活也会引发MAPK激酶级联通路的磷酸化，从而调控下游转录调控。本文中，作者发现相较于PTI，ETIAvrRps4与PTI同时激活能诱导时间更持久的BIK1, RBOHD以及MPK3的磷酸化，然而ETIAvrRps4的自身激活并不能激活RBOHD和MAPK的磷酸化。在此基础上，作者进一步探究五个不同的ETI诱导系统的激活对于PTI信号通路重要元件的转录与翻译变化。从蛋白表达量来看，ETI与PTI的同时激活使得BIK1, RBOHD, MPK3, BAK1等重要PTI元件表达量增多，但是其他重要元件 (如MPK4, MPK6, FLS2等) 并没有呈现蛋白量的变化。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，这也与其他四种ETI诱导体系下检测的qPCR结果相符。综合以上实验结果，作者得出结论：ETI的激活增强了PTI信号通路（图2）。
（3）为了研究ETI增强PTI的机制，作者在转录和翻译两个层面展开研究。作者追踪了以1小时为单位的ETIAvrRps4激活情况，发现代表性PTI信号元件的“表型”各异：(a) SOBIR1和BAK1 的转录和蛋白表达量都在ETIAvrRps4激活过程中被诱导持续性增强; (b) BIK1, RBOHD和MPK3的mRNA累积在3小时到达峰值随之逐步下调，但是蛋白表达量持续性累积; (c) CERK1, MPK4和MPK6的mRNA累积有微弱激活但是蛋白表达量并没有显著变化。对于前文重点研究的PTI信号元件BIK1, RBOHD和MPK3，作者发现其mRNA水平在PTI，ETIAvrRps4和PTI ETIAvrRps4三种条件下并没有显著差异，而在蛋白水平上，ETIAvrRps4和PTI ETIAvrRps4 相较于单纯的PTI激活有了显著的增加。进一步，作者针对这三个元件进行了更深入的翻译层面的研究。通过翻译抑制剂CHX和蛋白酶抑制剂MG132 (抑制蛋白降解)的单独与复合处理，发现MPK3的蛋白表达量增加是基于翻译水平的升高而非蛋白降解的抑制；而BIK1和RBOHD情况相对复杂，ETI的激活在抑制BIK1和RBOHD蛋白降解的同时也提高了蛋白翻译的水平。在此基础上，作者还检测了ETI的激活是否影响了核糖体结合mRNA，结果显示BIK1, RBOHD和MPK3核糖体结合mRNA的上调与总mRNA上调的趋势相符。综上所述，ETI增强PTI的机制仍然错综复杂，扑朔迷离（图3）。
研究意义
主要作者简介
本文第一作者Bruno Pok Man Ngou (敖博文)，出生于中国澳门，于2016年获得伦敦帝国理工学院学士学位，2016年10月-2020年11月于英国东英吉利大学(UEA)/英国塞恩伯斯研究所(TSL)攻读博士学位，目前以第一作者在国际著名期刊Nature, Plant Biotechnology Journal, Current Opinion in Plant Biology和Journal of Experimental Botany共发表四篇论文。
本文共同通讯作者Jonathan D.G. Jones, 1976年获得英国剑桥大学学士学位，并于1980年获得英国剑桥大学博士学位，后于美国哈佛大学Frederick M. Ausubel实验室展开博士后研究。他于1988年入职英国塞恩伯斯研究所(TSL)，曾两度担任TSL所长(1994-1997与2003-2009)，也是The Plant Cell, Genome Biology, Current Opinion in Plant Biology等多个权威期刊的顾问和编辑。1998年Jonathan当选欧洲分子生物学会会员，2003年获选皇家科学学会院士，2015年获选美国国家科学院院士。Jonathan Jones课题组在Science, Nature, Cell等杂志发表大量高水平研究论文，其经典代表作包括通过转座子标签法分离克隆了第一个植物跨膜受体抗病基因Cf-9，以此开端番茄叶霉菌抗性的若干研究，继而提出抗病基因作用机制的防卫假说(guard hypothesis)。2006年，Jonathan与美国北卡罗来纳教授Jeffery Dangl提出zig-zag模型，该综述是植物抗病领域的首次概念性综述，迄今引用已超过1万次。Jonathan所领导的课题组培养出了一批国际知名的植物病理学家，是公认的植物免疫学领域的泰斗。