【LorMe周刊】植物免疫机制：从还原论到整体论

作者：田秘密，南京农业大学博士在读，主要研究植物激素代谢调控根际免疫。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍植物免疫机制的进化论，原文于2020年发表在Molecular Plant上。

导读

植物时刻面临多种复杂的生物胁迫与非生物胁迫，在互作过程中形成了不同的、多层次的免疫反应途径。美国杜克大学董欣年教授、中科院微生物研究所张杰研究员等从植物角度综述了其多方面的免疫机制。首先提出气孔免疫、质外体免疫和根际免疫位居免疫前线，主要以植物表面模式识别受体（PRR）与微生物相关分子模式（MAMP）间的分子信号与转运蛋白响应胁迫。其中，PRR是识别MAMP控制气孔关闭的重要因子。当病原入侵时，植物质外体中胼胝质沉积形成第一道防线；而病程相关蛋白（PR）、裂解酶、抗性次级代谢产物则分泌到质外体空间，限制叶片和根际微生物定殖（促发根际免疫）。在根际免疫中，从植物根细胞的角度（转运蛋白、分泌物或粘液）来诠释一种新途径。但是，随着植物免疫防线的建立，病原体也形成了一定对策，如分泌毒素抑制水杨酸（SA）、靶向拟南芥抗病基因（RIN4）、质子泵（H⁺-ATPase）来调控MAMP或者分泌效应子阻止MAMP的感知从而促进气孔打开。

此外，本文提出生物钟对植物抵抗病原并激发植物免疫的重要作用、翻译表达水平上的信号因子对抑病的作用前景等，并在现有研究基础上提出了新的研究问题和科研假设：根细胞陷阱与土壤微生物互作中的潜在机制？抗性基因库的拓展以及激活抗病性的途径？或病原菌对宿主扰动是否通过选择性翻译编码防御蛋白mRNA来上调防御信号？

植物免疫前线的作战途径

一、气孔免疫（激素与效应子阻断PRR识别MAMP）

气孔由专门的保卫细胞包围且控制着植物的气体交换和水分流失。通常存在于叶表皮，并在植物生长和发育中起关键作用。但是，它也为某些丝状和细菌病原体的进入提供了自然入口。接触病原后，植物PRR感知微生物MAMP导致气孔关闭，而MAMP感知还会触发多种激素信号途径及复杂串扰。如脱落酸（ABA）诱导气孔关闭、茉莉酸（JA）衍生物（+）-7-异茉莉单酰-L-Ile（JA-Ile）诱导气孔开放，SA气孔免疫中起积极作用。另外，由细胞表面受体ER家族和YODA家族（ERECTA（ER）-YODA（YDA））信号转导途径介导的气孔发育也间接有助于植物免疫。其中，ER识别尚未确定的MAMP，与PRR并行发挥作用以赋予广谱免疫力。

相对地，为了抵抗植物免疫，叶病原体和有益微生物已发展出干扰气孔免疫的策略。如Pst产生冠毒素（COR）以诱导冠毒素非敏蛋白1（COI1）和茉莉酮酸酯ZIM结构域蛋白（JAZ）互作抑制SA积累并促进气孔开口。另外，细菌病原体分泌效应蛋白如HopZ1、AvrB和HopX1靶向COI1-JAZ复合物以促进气孔开放。这些由病原体介导的气孔免疫逃避增强了其在植物防御中的重要功能。

二、质外体免疫（“损伤门控”和MAMPs逃逸策略）

质外体是病原菌入侵植物后首先接触的环境之一。细胞壁修饰与细胞壁完整性改变是植物细胞壁响应病原菌侵袭的两种主要方式。病原菌入侵，胼胝质沉积。同时，植物将PR、裂解酶和抗性次级代谢产物分泌到质外体空间，以限制叶片和根际微生物的定殖。此外，根可感知质外体空间的MAMP，如免疫反应的空间异质性使拟南芥根内细胞比外层细胞中PRR基因更高表达，同时通过与感染相关的损害而引发对病原菌特异性和强免疫。

微生物采用多种策略来逃逸或破坏质外体中的宿主识别。例如，病原体通过受体样蛋白来破坏MAMP的识别。Pst分泌鞭毛蛋白单体的碱性蛋白酶AprA抑制感知，还可分泌物质抑制β-半乳糖甘酶1的活性。另如真菌病原菌分泌与几丁质结合的效应蛋白Avr4和Ecp6以防止几丁质水解。以上，除蛋白质外还可通过分子（如使用有机酸降低pH值、脂多糖抑制MAMP诱导的活性氧（ROS）爆发）抑制MAMP激活的免疫反应。

三、根际免疫（“根胞外陷阱” + 根际微生物）

【编者按】作为植物-土壤互作的热点区域，根际栖息着比土体土壤更丰富的微生物群落，是土传病原菌入侵作物根系的必经之路，这一特殊微域中土壤、植物、微生物、病原菌之间的交互作用必然显著影响植物健康。根际免疫发生在根表、根内和根际环境，其核心之一是在根际形成了能够抵御土传病原菌入侵的特定微生物群落（Wei et al, 2020）。

本文提出的根际免疫是从另外的角度——根细胞出发，研究延伸蛋白（主要在植物根部表达的细胞壁糖蛋白）等根际免疫在植物防御中的重要作用。病原菌侵染植物根时，延伸蛋白组成和结构会随对病原菌的感知而发生显著变化，从而增强细胞壁并限制感染。另外，延伸蛋白和其样分子分泌到根际粘液中发挥作用。部分边界细胞也从根尖释放于根际参与互作，而且边界细胞的释放随病原菌侵染程度上升而增加。越来越多的结果表明，边界细胞可通过分泌粘液（含有抗菌分子、多糖和exDNA）在吸引与排斥某些微生物方面具潜在作用。此外，延伸蛋白与边界细胞共同形成“根细胞外陷阱”网络，通过与果胶和阿拉伯半乳糖蛋白互作来增强粘液网络，从而削弱病原菌在根部的定殖。

细胞免疫受体与免疫原性信号

PRR除了识别MAMP以外还可检测宿主衍生和损伤相关的分子模式（DAMP），如植物细胞壁、细胞外ATP和NAD释放结构。另外，植物还产生植物细胞因子免疫调节肽，其受体直接刺激免疫反应或与其他PRR互作以调节免疫反应。PRR对免疫原性信号的感知会激活模式触发的免疫（PTI），在抵御潜在病原菌上起关键作用（图1）。除PRR外，细胞内免疫受体是核苷酸结合的富含亮氨酸的重复受体（NLR）。NLR识别递送到宿主细胞中的病原菌效应物（由病原菌作为毒力因子进化而来）——效应触发免疫力（ETI）（图1）。通过NLR与效应子间物理互作直接识别或以NLR与宿主细胞效应子-靶蛋白间互作间接发生。近期两项研究表明，在没有PRR激活的情况下激活NLR会引起轻度免疫反应，且激活时植物具有强大的防御能力，表现为活性氧系统（ROS）上调、防御基因转录、植物抗病的超敏反应（HR）和完全诱导的抗病性。在田间条件下，植物经常同时受到不同病原体类别的感染，免疫受体/共受体之间的串扰在复杂感染期间的交叉保护中也起着重要作用。

图1 植物免疫反应

（气孔免疫；胞内分子信号；根际免疫；凋亡免疫-编程死亡；翻译表达调控；异质性免疫反应；生物钟调控）

非经典抗性基因介导植物防御

与PRRs和NLRs相比，其他抗性蛋白属于不同的家族，通常赋予广谱疾病抗性。WKS1定位于叶绿体，在该处将类囊体相关的抗坏血酸过氧化物酶磷酸化，降低细胞对ROS解毒的能力，并导致受感染细胞死亡。另一个非典型抗性基因Yr19/Lr34/Sr57/Pm38，编码ABA ABC转运蛋白并控制对白粉病、叶锈病、条锈病和茎锈病的部分抗性。另外，新兴的一类广谱抗病基因编码串联激酶蛋白（TKPs）似乎介导了独特的防御机制。但其如何识别效应子或病原体成分？激酶结构域是否充当病原体效应子的诱饵？需要进一步的研究来阐明哪些基因直接感知病原体的存在以及它们如何激活抗病性。

维管组织的免疫反应

病原体入侵植物后，它们的分布和疾病表型在不同组织中也不同。调节植物对定殖在维管组织中病原体的免疫反应机制仍存在根本问题。已经鉴定出多种识别木质部定殖病原体效应子的NLR免疫受体（RPS4/RRS1-R和ZAR1分别识别细菌病原体青枯雷尔氏菌和油菜黄单胞菌）。韧皮部中包含碳水化合物、蛋白质和氨基酸，代表了病原体的特殊生态位。一些最具破坏性的植物病原体和昆虫分别生活在韧皮部筛管中并以其为食。为了抗击感染，韧皮部传输系统获得性抗性（SAR）和系统性伤口反应需要移动防御信号，但如何进一步的明确组织嗜性（如韧皮部筛管分子或伴胞是否能够通过PRR或NLR直接识别病原体）对植物免疫尚不清楚。

组织和细胞内免疫反应的异质性

细胞反应和组织类型的变化决定了植物与病原体互作的结果。病原体分布的异质性，以及因此在感染过程中宿主细胞靶向的不均匀性影响植物的响应（图1）。植物防御反应是在典型的ETI期间发生的，其中效应子触发的细胞死亡被严格限制在感染部位。通过SA和JA在感染部位和周围细胞中的时空表达，PR（NPR）蛋白非表达子的互作来调节细胞的死亡和存活。大量研究结果表明，RKs重组为不同的膜结构域和亚细胞区室是调节特异性和对病原体和非生物胁迫感知的反应的重要层。未来研究病原体定位背景下植物免疫信号传递的时空响应的研究将阐明植物如何能够对不同刺激整合快速、稳健和特定的响应。

翻译调控植物免疫的关键控制层

植物免疫信号网络的一个主要盲点是翻译调控（图1），主要是因为翻译过程的内在复杂性和技术限制。病原菌侵染宿主期间，宿主和病原体可能竞争进入宿主的翻译机制。如在病原体方面的极端例子是病毒，它依赖于宿主核糖体病毒蛋白质的合成。病原体对宿主代谢的扰动可能是通过选择性翻译编码防御蛋白的既有mRNA来增强防御的早期信号。这些防御mRNA的选择方式，其翻译是否以与生长有关的因子为代价，以及转录和翻译调控之间是否存在相关性，都需要解决。检查病原体感染过程中的蛋白质组学变化将是解决上述问题的最直接方法。但是，这种方法当前具有重大的技术局限性。

生物钟是打破植物病害三角的关键机制

植物宿主及其某些病原体的生命周期都由地球的昼夜周期决定的，当感染是可预见的事件时，宿主可以通过昼夜节律的功能来预测。但除了帮助植物预见感染之外，昼夜节律时钟在调节感染过程中的防御反应中是否还起作用？环境条件（例如湿度）的变化如何通过生物钟影响植物防御？其中发现SA与生物钟关系复杂且敏感，SA介导水转运基因抑制作用是激素抑制水通道蛋白基因达到防御的机制之一。此外，生物钟感知湿度的能力对防御病原体感染可能至关重要，如高湿激活III型分泌系统，将效应子传递到宿主中。尽管生物钟在调节植物防御中发挥着重要作用，但由于需要时间序列数据收集和分析，因此该领域的研究在技术上具有挑战性，并在经济上令人望而却步。

结论

植物科学的研究发现指导着农业生产的可持续增长，也直接影响着人类健康。全球范围内，因病虫害造成的农作物损失平均在17%-30%之间。因此，专注于理解植物如何自然地控制其免疫反应的基础研究是可以建立应用研究的基础。研究新的抗病基因，深度剖析它们的激活机制和免疫信号网络将提供对植物防御的更全面的了解，可用于控制一些最具破坏性的植物病害。另外，文中提出的根际免疫（Rhizospheric immunity）是以植物为中心，主要从植物本身根组织、细胞出发，通过转运蛋白、分泌代谢物质与粘液来表述根际免疫；而我们团队提出的根际免疫（Rhizosphere immunity）（Wei et al, 2020）是把根际作为一个生态系统来讲的，强调的是整个微生态系统抵御病原菌入侵的能力，并且这一系统受到植物、土壤、病原菌、微生物以及外界环境的影响。不管怎么说，根际免疫概念的提出，均反映出通过调控地下世界，保障植物健康的重要性。

参考文献

Wei, Z., Friman, V.-P., Pommier, T., Geisen, S., Jousset, A., Shen, Q., 2020. Rhizosphere immunity: targeting the underground for sustainable plant health management. Front. Agr. Sci. Eng. 7, 317. https://doi.org/10.15302/J-FASE-2020346.

论文信息

原名：Plant Immune Mechanisms: From Reductionistic to Holistic Points of View

译名：植物免疫机制：从还原论到整体论

期刊：Molecular Plant

IF₂₀₂₀：12.084

发表时间：2020.10

通讯作者：Xinnian Dong

通讯作者单位：杜克大学霍华德·休斯医学院