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一场没有硝烟的战争 | 小议植物的免疫系统 精选

已有 4644 次阅读 2020-5-19 22:44 |个人分类:科研随笔|系统分类:科研笔记| 植物免疫受体, NLR

相信对于包括笔者在内的许多年轻人来说,从没有像如今这样关注自己的免疫力。以前,关注免疫力也许只是父母甚至爷爷奶奶辈的老年人的专利。不过,今年一场突如其来的新冠病毒的爆发使“提高自身免疫力”的观念更加深入年轻群体的心。

虽然新冠病毒在国内已经得到了有效的控制,但是疫情在国外的新一轮爆发,又为我们抗疫的阶段性胜利带来新的考验。正如病毒的名字中显示的那样,这是一种人类从未遇到过的新型病毒,至今仍没有特效药。对于那些不幸感染上病毒的患者来说,只能依靠自身的免疫系统顽强抵抗。

免疫系统是大自然对人类的馈赠,是我们每一个个体得以生存的基本保证。我们生存的环境危机四伏,我们每时每刻都被数以亿计的病原体包围!免疫系统是我们身体中不知疲倦的“国防部队”,它们无时无刻不在战场上拼杀,抵御“外敌”的入侵。哪儿有什么岁月静好,只是有免疫系统在为我们负重前行!

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免疫系统是不知疲倦的“国防部队”

对于植物们来说,它们所面对的来自病原体的挑战要比我们人类多得多!和我们可以自由活动,主动趋利避害不同,植物一旦在一个地方生根发芽,基本上就会在那儿生活一辈子。而且,它们不具有循环免疫系统,更没有疫苗这样的抵御病原体的终极武器。那么,在面对各种病原侵染时,植物们是如何抵御“外族入侵”的呢?今天,我们就一起学习一下植物的免疫系统。

虽然没有循环免疫系统,植物却拥有“装备精良”的先天免疫系统(innate immune system),它们可以感受并限制病原体的生长【1】。另外,由于植物体中没有可移动的免疫细胞,植物的每一个细胞都必须具有感受和抵抗病原体的能力。在和各种病原生物数百万年“斗智斗勇”的过程中,植物基因组中进化出了数百种免疫受体(immune receptors)。免疫受体是植物和病原体交战的“军火库”,它们可以识别所有的病原物,并使植物作出合适的免疫反应【2】。

植物的免疫受体可分为两大类:第一类叫PRRs(pattern recognition receptors),第二类叫NLR(nucleotide-binding–leucine-rich repeat)受体。一般情况下,PRRs定位在细胞膜上,属于受体激酶家族,包括三个典型的结构域:胞外配体结合结构域,跨膜结构域和胞内激酶结构域【1】。定位于细胞表面的PRRs可以监测胞外环境中有无病原相关分子,决定细胞是否启动免疫反应。

PRRs的胞外结构域可以特异识别病原保守的PAMP(pathogen-associated molecular pattern),比如细菌的鞭毛蛋白和真菌的几丁质,通过跨膜结构域激活胞内的激酶结构域,进而激活下游的免疫信号。这是植物的第一层免疫系统,被称为PTI(PAMP-triggered immunity)【3】。PTI会启动一系列细胞学和生理学反应,使植物抵御病原的侵染;比如钙离子内流,离子外排,肌动蛋白重构,胞间连丝和气孔关闭,胼胝质沉积,ROS、NO、 磷脂酸、植物抗毒素、激素的产生,以及抗病基因表达等【3】。PTI足以让植物对大部分病原体产生免疫。但是,顽固的病原生物绝不会轻易“束手就擒”,它们还有一支精锐的“特种部队”,可以悄悄深入敌后,杀敌于无形。

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植物的PRRs和PTI【3】

为了突破固若金汤的第一层免疫系统的封锁,病原生物会分泌一类叫做效应因子(effector)的小分子到植物细胞中。Effector可以通过抑制PRRs的翻译,抑制PRRs及其复合物的活性,影响MAPK及其下游信号的传递,影响囊泡运输和胼胝质沉积等一系列手段对PTI进行干扰【2】。这样,病原菌就可以顺利侵染。不过,植物细胞也不会就此“任人宰割”。面对这种情况,植物会紧急启动第二层免疫系统。

位于细胞内部的NLR受体可以直接或间接识别effector,使植物作出第二层免疫反应,被称为ETI(effector-triggered immunity)。和PTI相比,ETI的反应更加强烈,并且一般伴随着程序性细胞死亡(programmed cell death )。这种强烈的细胞死亡过程,被称为过敏反应(HR,hypersensitive response),在植物抵抗活体营养型病菌过程中具有重要作用。ETI激活的下游免疫反应和PTI相似,但是强度更大,持续时间也更长【4】。

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ETI和PTI引起相似的免疫反应【5】

PRRs和NLR相互配合,可以使植物抵抗住大多数病菌的侵染。但是病原生物也绝不会轻易投降,它们会不断发明“新式武器”(effector),以突破现有免疫系统,成功侵染植物细胞。同样,植物也会进化出新的免疫受体,应对病原菌源源不断花样百出的进攻。这是一场持续数百万年的“军备竞赛”,无论是病原体还是植物,都必须使自己变得越来越强大,才能在这场残酷且激烈的竞争中存活下来。这是一场没有硝烟的战争!

在农业发展的过程中,全球的育种家们通过选择农作物对病原体抗性更强的性状,育成新的品种,增加粮食产量。根据这种遗传学行为,Flor提出了著名的“基因对基因假说”:对于任何一个寄主抗病基因,病原物种都有一个与之相对应的无毒基因【6】。直到20世纪,科学家们才逐渐意识到,许多植物的抗病性状都是由NLR免疫受体编码的。有意思的是,面对形形色色的effector,NLR受体却有着近乎千篇一律的蛋白结构【7】。这种“刻板”的NLR受体蛋白到底是如何识别成千上万种各式各样的病原菌effector的?它们又是如何介导植物细胞产生免疫反应的呢?

欲知后事如何,请听下回分解!


参考文献

【1】Zipfel, C. (2014). Plant pattern-recognition receptors. Trends in Immunology, 35(7), 345-351.

【2】Toruno, T. Y., Stergiopoulos, I., & Coaker, G. (2016). Plant-Pathogen Effectors: Cellular Probes Interfering with Plant Defenses in Spatial and Temporal Manners. Annual Review of Phytopathology, 54(1), 419-441.

【3】Yu, X., Feng, B., He, P., & Shan, L. (2017). From Chaos to Harmony: Responses and Signaling upon Microbial Pattern Recognition. Annual Review of Phytopathology, 55(1), 109-137.

【4】Cui, H., Tsuda, K., & Parker, J. E. (2015). Effector-triggered immunity: from pathogen perception to robust defense. Annual review of plant biology, 66, 487-511.

【5】Lolle, S., Stevens, D., & Coaker, G. (2020). Plant NLR-triggered immunity: from receptor activation to downstream signaling. Current Opinion in Immunology, 62, 99-105.

【6】Flor, H. H. (1971). Current status of the gene-for-gene concept. Annual review of phytopathology, 9(1), 275-296.

【7】Monteiro, F., & Nishimura, M. T. (2018). Structural, functional, and genomic diversity of plant NLR proteins: an evolved resource for rational engineering of plant immunity. Annual review of phytopathology, 56, 243-267.

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