在與病原菌長期“博弈”中，植物的雙層免疫系統(tǒng)曾被認(rèn)為是兩支獨(dú)立部隊(duì)，各自鎮(zhèn)守一方。

如今，兩支部隊(duì)攜手作戰(zhàn)、共御外敵的“故事“，被上?？茖W(xué)家所發(fā)掘。

2021年3月11日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辛秀芳研究團(tuán)隊(duì)，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表最新研究成果，解答了植物免疫系統(tǒng)內(nèi)部如何協(xié)作御敵。

這一成果揭示：植物兩大類免疫通路PTI和ETI并非獨(dú)立發(fā)揮功能，而是存在相互放大的協(xié)同作用，從而保障植物在應(yīng)對病原菌的入侵時能夠輸出持久且強(qiáng)烈的免疫響應(yīng)。

植物免疫系統(tǒng)協(xié)同放大活性氧產(chǎn)生來抵抗病原菌的入侵  本文圖片均為受訪者供圖

辛秀芳是一名85后女研究員，她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，平均年齡只有20多歲。他們的研究，為人們重新認(rèn)識和理解植物免疫提供了重要理論依據(jù)，為后續(xù)通過整合植物雙層免疫系統(tǒng)，培育優(yōu)良持久抗病的農(nóng)作物品種提供了新思路。

兩支“免疫部隊(duì)”曾被認(rèn)為獨(dú)立平行

植物免疫系統(tǒng)與病原微生物之間，有一場長期且互相博弈的戰(zhàn)斗。

自然界中，植物時刻面臨著由各種復(fù)雜多變的外界環(huán)境帶來的生存威脅，其中病原微生物如細(xì)菌、真菌和卵菌等，嚴(yán)重威脅植物生命，給全球糧食安全帶來巨大挑戰(zhàn)。

據(jù)辛秀芳介紹，為應(yīng)對這些外敵，植物進(jìn)化出了兩支“免疫部隊(duì)”。

辛秀芳研究員

細(xì)胞膜表面的受體蛋白，能識別病原菌所攜帶的一些分子，如鞭毛蛋白，從而激活植物的第一層免疫系統(tǒng)（稱為PTI），來抵抗病原菌的入侵，這是免疫系統(tǒng)的“第一部隊(duì)”。

作為對策，成功入侵的病原菌會通過向植物細(xì)胞內(nèi)分泌一類毒性蛋白，從而反過來攻擊植物的免疫系統(tǒng)，以利于其侵染植物。

此時，植物的第二支“強(qiáng)力部隊(duì)”出現(xiàn)了：植物細(xì)胞內(nèi)的另外一類受體蛋白，可感知病原菌的一些毒性蛋白，從而觸發(fā)植物的第二層免疫系統(tǒng)（稱為ETI），激活更強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)來抵抗病原菌的攻擊。

由于兩層免疫系統(tǒng)中，不同免疫受體識別不同的病原菌來源的分子，而且免疫受體激活的機(jī)制有很大不同，之前絕大多數(shù)植物免疫領(lǐng)域的研究，都將兩條免疫通路作為兩個獨(dú)立平行的免疫分支。

兩支“免疫部隊(duì)”的關(guān)系一直以來尚不清楚，這也成為了植物免疫領(lǐng)域尚待解決的重要科學(xué)問題之一。

精密分工合作，讓活性氧大量產(chǎn)生

辛秀芳團(tuán)隊(duì)的研究，破解了這一謎題。

辛秀芳研究團(tuán)隊(duì)

研究發(fā)現(xiàn)，植物的第一層免疫系統(tǒng)（PTI）對激活第二層免疫系統(tǒng)（ETI）輸出正常的免疫反應(yīng)，尤其是在調(diào)控活性氧的產(chǎn)生方面起有重要作用。

活性氧作為能夠直接殺死病原菌的分子，以及放大植物其它免疫事件的信號，對植物抵抗病原菌的入侵具有重要作用。

該研究揭示了植物兩層免疫系統(tǒng)，通過精密地分工合作，讓活性氧大量產(chǎn)生，其中第二層免疫系統(tǒng)（ETI）負(fù)責(zé)增強(qiáng)活性氧合成酶RBOHD蛋白的表達(dá)，而第一層免疫系統(tǒng)（PTI）促進(jìn)RBOHD蛋白完全激活，二者缺一不可。

這一精巧的合作機(jī)制，能夠保障植物在面臨病原菌的侵染時，快速準(zhǔn)確地輸出足夠的免疫響應(yīng)，同時在植物面臨不同微生物（如非致病或致病力弱的微生物）時，避免過度的免疫輸出，從而確保植物平衡生長和環(huán)境脅迫的抗性反應(yīng)。

“可以把ETI系統(tǒng)免疫看作是植物的武器炮彈，而PTI則主要負(fù)責(zé)將炮彈點(diǎn)燃，以激活更強(qiáng)的免疫輸出（如產(chǎn)生大量活性氧）。”辛秀芳打了一個比喻來解釋這一機(jī)制。

有趣的是，研究還發(fā)現(xiàn)，植物的第二層免疫系統(tǒng)（ETI）通過增強(qiáng)第一層免疫系統(tǒng)（PTI）核心蛋白組分的表達(dá)，誘導(dǎo)后者更持久地進(jìn)行“武力輸出”。

近年來，隨著全球氣候變化，農(nóng)作物病害的爆發(fā)嚴(yán)重影響了全球糧食安全。該項(xiàng)研究成果不僅揭開了植物不同免疫系統(tǒng)間的親密關(guān)系，建立了新的植物免疫系統(tǒng)架構(gòu)模型，也為后續(xù)通過整合植物雙層免疫系統(tǒng)來培育優(yōu)良持久抗病的農(nóng)作物品種提供了新思路。

植物免疫系統(tǒng)協(xié)同工作模型 

辛秀芳研究組博士研究生袁民航為論文第一作者，辛秀芳研究員為通訊作者。研究組博士研究生江澤宇、蔡博瑩、博士后王易平和河南大學(xué)聯(lián)培研究生劉夢匯為共同作者。

該研究得到了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民研究員及其實(shí)驗(yàn)室畢國志博士和美國杜克大學(xué)Sheng Yang He教授及其實(shí)驗(yàn)室Kinya Nomura博士的大力支持與幫助。本課題得到分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院項(xiàng)目等的資助。