《研究揭示 植物免疫系统监控病毒全新机制》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2022-12-27
  • 开发植物的抗病基因是防控病虫害最经济也最高效的手段,但植物是如何识别病原微生物、并在此基础上激活自身免疫系统的,一直是植物病理学领域的核心科学问题。近日,《自然》上在线发表的一项研究揭示了植物与病毒间是如何开展抗病“攻防战”的。

      在植物细胞的防御体系中,激素信号系统在抵御病毒等病原微生物的侵染中发挥重要作用。激素受体是激素信号启动的关键开关。免疫受体也是植物抗病系统启动的关键开关。南京农业大学植物保护学院教授陶小荣等人在此次研究中发现,当激素受体被攻击,辣椒会迅速启动免疫系统,通过该系统的免疫受体以“瞭望塔”的方式监测敌情,并且进化出一种与激素受体一样的结构,引诱病毒对其发起类似攻击,进而顺利激活免疫通路,歼灭病毒。

      “NLR免疫受体是触发植物防御系统的核心开关。”陶小荣表示。在没有病毒的时候,NLR免疫受体这个“开关”处于关闭状态,此时植物的抗病性不启动;当病毒入侵时,NLR免疫受体“开关”就会打开,植物的抗病性就会启动,并引发下游一系列抗病反应。激素介导的抗病是一种基础抗病性,是一种比较弱的抗性。NLR免疫受体蛋白介导的抗病性则是非常强烈持久的抗病性,可以有效地灭除病原菌,在抗病作物的生产应用上具有广阔的前景。

      “这项研究清晰地解析了病毒与作物之间的作用机理和植物抗病的机制,为植物免疫学研究提供了新的思路。”中国工程院院士康振生如是评价。

  • 原文来源:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2022-12/27/content_546638.htm?div=-1
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    • 编译者:姜丽华
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    • 南湖新闻网讯(通讯员 于晓)近日,我校农业微生物资源发掘与利用全国重点实验固定研究员、湖北洪山实验室于晓教授,德州农工大学生物化学与生物物理系的何平教授和单立波教授团队在Cell(《细胞》)杂志上在线发表了题为“A phospho-switch constrains BTL2-mediated phytocytokine signaling in plant immunity”的研究论文。该研究首次发现PRR蛋白能够保护受损PTI免疫反应的新机制,建立了植物PTI-DTI-ETI不同免疫途径信号交互的新模式。 植物依赖于细胞膜表面的模式识别受体(pattern-recognition receptors, PRRs)识别微生物相关分子模式(MAMPs)或植物自身损伤相关因子(DAMPs),从而激活PTI或DTI免疫反应。胞内的NLR(nucleotide-binding, leucine-rich repeat receptors)受体直接或间接识别病原分泌的效应蛋白(effector),触发ETI免疫反应。植物类受体蛋白激酶BAK1作为共受体,与多种免疫相关PRR形成受体复合物激活PTI,而病原细菌和真菌的多种效应蛋白攻击BAK1以抑制植物PTI。BAK1及其同源蛋白BAK1-LIKE 1(BKK1)/SERK4的双突变体表现出自我免疫和细胞死亡,这表明植物中存在特定机制监控BAK1蛋白的稳态,在感知BAK1受损后启动强烈免疫以补偿受损的PTI。BAK1/SERK4的缺失或受损如何被感知,该自我免疫途径如何被触发激活仍然未知,植物免疫补偿的信号通路和分子机制均有待解析。 该研究通过基于病毒诱导基因沉默的高通量筛选体系,筛选了一系列类受体激酶(RLK)的T-DNA插入突变体,成功鉴定到LRR-RLK BAK TO LIFE 2 (BTL2)的突变体可以完全抑制沉默BAK1/SERK4引起的细胞死亡,同时超表达BTL2诱导植物出现细胞死亡表型,该细胞死亡诱导能力依赖于BTL2的激酶活性。进一步探究BAK1对BTL2的调控机制发现,BAK1直接与BTL2互作,通过磷酸化BTL2第676位点丝氨酸残基进而抑制BTL2的蛋白活性,以维持正常生长的植物稳态。 BTL2与该团队前期报道的钙离子通道蛋白CNGC20相互作用,并且介导CNGC20的N端调控区磷酸化;电生理学实验表明BTL2可直接激活CNGC20的钙离子通道活性。病原菌接种实验表明BTL2并不直接调控对多种病原菌的抗病性和植物的PTI/ETI免疫反应,但是BTL2与植物DAMP分子或(免疫相关细胞因子)PEPs的受体PEPR1/2和SCOOPs的受体MIK2相互作用,在BAK1及其同源蛋白缺失状态下,导致多个植物DTI免疫途径的过度激活,进而通过EDS1-PAD4-ADR1信号模块诱导强烈的免疫反应导致细胞死亡,从而补偿受损的PTI免疫反应。 综上,该研究解决了长期未知的由BAK1/SERK4缺陷引起自我免疫的相关机制,阐明了植物DTI免疫途径对PTI免疫受损的新型保护机制,拓展了对植物多层次免疫反应相互关系的认知的理解,为利用植物先天免疫提高植物抗病性提供了新的视角。 我校微生物资源发掘与利用全国重点实验固定研究员、湖北洪山实验室于晓教授为该论文的第一作者,德州农工大学生物化学与生物物理系的何平教授和单立波教授为该论文的共同通讯作者。华中农业大学植物科学技术学院李博教授和生命科学技术学院薛绍武教授参与了本项研究。 论文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00423-3
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    • 病害三角(disease triangle)是描述疾病流行规律的理论,该理论指出“病害三要素”为致病病原生物、易感宿主和适合的环境条件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超过1480种植物病毒中,近80%由媒介昆虫传播,植物虫传病毒是制约我国农作物高产稳产的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主两个方面,而实际上参与病毒传播、病害发生的因子还有传毒媒介昆虫以及光照、温度、气候、生物周期节律等环境因子。作为人类赖以生存的最重要生化反应,植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光并存储为化学能,最终为人类和其他动物提供必需的食物和能量。光作为主要的环境因子,不仅调控植物生长发育的每个环节,而且同病害的流行爆发紧密相关。然而光是如何影响植物抗病性,病原微生物又是如何适应宿主抗性机制从而促进自身的传播等问题,尚亟待得到科学解答。 近日,中国科学院微生物所叶健课题组在PLoS Pathogens在线发表了题为Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究论文。该研究发现植物双生病毒卫星DNA编码的βC1蛋白可以通过靶向光信号途径的PIF转录因子家族调控的虫媒病毒抗性,促进虫媒病毒的快速传播,揭示了光调节双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新机制。   本研究在前期工作的基础上,进一步以双生病毒中国番茄黄化曲叶病毒TYLCCNV与卫星DNA形成的侵染复合物为研究对象,发现双生病毒卫星感病植物和对媒介昆虫烟粉虱的吸引作用只有在光照条件下才会发生,而在黑暗条件下不会发生(图1A和1B)。已有研究表明βC1是病毒编码的关键决定因子,进一步利用单色光LED灯箱进行昆虫双选择实验,发现βC1转基因植物只有在红光和含有红光的白光条件下发生,而在黑暗、远红光和蓝光条件下没有显著差异 (图1C)。烟粉虱等大多数昆虫的视觉系统缺乏红光受体,是“红色色盲”,所以这种光依赖的烟粉虱选择行为改变主要是病毒感染植物后影响了昆虫嗅觉识别植物。 当植物受到昆虫取食后,会产生一系列的化学挥发物来调控昆虫的行为来趋避食草昆虫,其中萜烯类化合物 (Terpenes) 是植物挥发物中最丰富的一类化合物,研究报道部分倍半萜和单萜会趋避昆虫。该研究通过酵母双杂交筛选实验鉴定到光信号中的关键蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以与βC1蛋白互作,进一步Co-IP实验证明PIF3与βC1在光照和黑暗条件下均可以在植物体内互作 (图2A)。PIFs蛋白可以直接结合萜烯合酶 (Terpene synthase,TPS) 基因的启动子促进其转录 (图2B和2C),因此在PIF过表达的植物中,介体昆虫烟粉虱的产卵量减少、伪蛹发育缓慢 (图2D和2E),说明PIFs蛋白具有直接的抗虫作用。通过竞争性BiFC和pull-down实验发现βC1蛋白可以通过干扰PIF蛋白二聚体的形成不同程度的抑制其转录激活活性 (图2C)。 植物激素茉莉酸(jasmonic acid, JA)是一种介导植物抗虫的重要激素,转录因子MYCs是JA途径中的关键调控因子。MYC家族转录因子调控下游多种抗虫相关次生代谢物质的合成代谢相关基因,包括TPS基因。该课题组早期研究发现双生病毒βC1可以靶标MYC2, 通过干扰其二聚体的形成抑制MYC2-介导植物抗虫反应,与其媒介昆虫烟粉虱形成的互惠共生关系(Li et al. Plant Cell 2014)。PIF蛋白参与植物多个信号通路以参与发育过程以及不同的胁迫响应,包括光和JA途径。研究报道AtPIF4与AtMYC2相互作用,该研究还发现AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表达,而βC1可以促进AtPIF4-AtMYC2异源二聚体的互作进而进一步抑制TPS的表达,促进昆虫的取食。结合以上研究结果该论文提出以下工作模型:在健康植物中,PIFs和MYC2形成同源二聚体,结合在TPS基因启动子的不同区域,共同调节TPS基因表达,从而趋避烟粉虱;当植物受到双生病毒感染后,βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚体的形成,一方面又可以促进PIF- MYC2异源二聚体的形成,最终抑制了植物对烟粉虱的抗性反应,促进烟粉虱的取食,促进病毒的传播与扩散。本研究解析了光和JA信号共同调节病毒-昆虫-植物三者互作的新机制,为防控虫媒病害提供新的靶点,也为实现利用单色LED灯绿色防控双生病毒病害提供理论依据。 该文章由叶健课题组的副研究员赵平芝、助理研究员张璇和已毕业硕士研究生龚雨晴为共同第一作者,课题组王端、王宁、孙艳伟、高连博为文章的共同作者。值得一提的是,该研究得到了方荣祥院士、北京大学邓兴旺院士、美国加州大学戴维斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中国农业科学院植物保护研究所周雪平教授、南京农业大学教授许冬清、浙江大学刘树生教授的大力支持,也为该文的共同作者,叶健研究员为通讯作者。感谢清华大学陈浩东教授和中国农业大学李继刚教授提供了宝贵的抗体材料。该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家重点研究和发展计划生物安全专项、国家相关人才计划等项目的支持。