植物免疫反應研究進展

1、.植物免疫反應研究進展摘要：植物在與病原微生物共同進化過程中形成了復雜的免疫防衛(wèi)體系。植物的先天免疫系統(tǒng)可大致分為兩個層面:PTI和ETI。病原物相關分子模式（PAMPs）誘導的免疫反應PTI是植物限制病原菌增殖的第一層反應，效益分子（effectors）引發(fā)的免疫反應ETI是植物的第二層防衛(wèi)反應。本文主要對植物與病原物之間的相互作用以及植物的免疫反應作用機制進行了綜述，為進一步廣泛地研究植物與病原微生物間的相互作用提供了便利條件。 關鍵詞：植物免疫；機制；PTI；ETI 植物在長期進化過程中形成了多種形式的抗性，與動物可通過位移來避免侵染所不同的是，植物幾乎不能發(fā)生移動，只有通過啟動內(nèi)部免疫

2、系統(tǒng)來克服侵染，植物的先天免疫是適應的結果是同其他生物協(xié)同進化的結果。植物模式識別受體(pattern recognition receptors)識別病原物模式分子(pathogen associated molecular patterns, PAMPs), 激活體內(nèi)信號途徑，誘導防衛(wèi)反應, 限制病原物的入侵, 這種抗性稱為病原物模式分子引發(fā)的免疫反應(PAMP-triggered immunity, PTI)1。為了成功侵染植物，病原微生物進化了效應子(effector)蛋白來抑制病原物模式分子引發(fā)的免疫反應。同時，植物進化了R基因來監(jiān)控、識別效應子, 引起細胞過敏性壞死(hyperse

3、nsitive response, HR)，限制病原物的入侵，這種抗性叫效應分子引發(fā)的免疫反應(effector-triggered immunity, ETI)2。 1 病原物模式分子引發(fā)的免疫反應1.1植物的PAMPs PAMPs是病原微生物表面存在的一些保守分子。因為這些分子不是病原微生物所特有的，而是廣泛存在于微生物中，它們也被稱為微生物相關分子模式（Microbe-associated molecular pattern, MAMPs）。目前在植物中確定的PAMPs有：flg22和elf18，csp15，以及脂多糖，還有在真菌和卵菌中的麥角固醇，幾丁質和葡聚糖等。有研究證明在水稻中發(fā)

4、現(xiàn)了兩個包含LysM結構域的真菌細胞壁激發(fā)子，LysM 結構域在原核和真核生物中都存在，與寡聚糖和幾丁質的結合有關，在豆科植物中克隆了兩個具有LysM結構域的受體蛋白激酶，是致瘤因子（Nod-factor）的受體，在根瘤菌和植物共生中必不可少，這說明PAMPs在其它方面的功能。在這些PAMPs中flg22和elf18的研究比較深入，F(xiàn)elix 等3鑒定出含有22個氨基酸保守殘基的鞭毛蛋白質flg22在不同的植物細胞中都可作為抗性相關反應的激發(fā)子。EF-Tu（elongation factor Tu）是一個在所有細菌中都存在的保守蛋白，它具有N端乙?；奶攸c，包含EF-Tu的前18個氨基酸以及

5、N端的乙酰基的蛋白elf18，可以激活植物的防衛(wèi)反應，可以產(chǎn)生氧迸發(fā)（oxidative burst）、乙烯增加和對后來接種病原菌的抗性。1.2 植物體內(nèi)對PAMPs的識別因子 對于PAMPs/MAMPs在植物體內(nèi)的識別因子稱為模式識別受體（pattern-recognition receptors，PRRs），這類受體的分離比較困難，因為不同的受體特異的識別PAMPs，而且目前在植物中鑒定的PAMPs較少，在擬南芥中利用突變體成功分離了flg22和EF-Tu的受體。利用flg22對植物生長有抑制作用的特點4，Boller 等從大量的EMS突變體中篩選對flg22不敏感的突變體，得到了3個突變

6、體fls2-0、 fls2-17和 fls2-24，然后通過圖位克隆策略分離克隆了這個基因，命名為FLS2，該基因編碼1173個氨基酸，129 kDa。蛋白質中有四個保守結構域，1-23是一個信號肽序列，815-831是單跨膜區(qū)，88-745為胞外的LRR區(qū)，8701150是一個蛋白激酶區(qū)，屬于一個受體蛋白激酶，并且發(fā)現(xiàn)EMS的突變體的突變位點在LRR區(qū)和激酶區(qū)都有發(fā)生，這說明LRR區(qū)和激酶區(qū)對其發(fā)揮作用都很重要5。在對FLS2突變體的處理中發(fā)現(xiàn)突變植株對flg22沒有反應但對細菌的總蛋白有反應，這說明在植物體內(nèi)還存在其它的反應途徑。EFR（EF-Tu receptor）是EF-Tu的受體，也

7、編碼一個絲/蘇氨酸受體蛋白激酶，長1031個氨基酸，大小為113 kDa，96-606 編碼LRR區(qū)，712-1000為激酶區(qū)。同時還發(fā)現(xiàn)efr植株對農(nóng)桿菌的侵染比較敏感，并且表現(xiàn)為一種高轉化效率，這說明植物的PAMPs誘導的這種反應會降低農(nóng)桿菌的轉化效率6。1.3 PTI反應的信號途徑 植物通過PRRs對PAMPs識別后往往會快速的啟動先天免疫反應來抵制病源菌的進一步入侵，在這個反應的效應究竟是哪些基因在作用，在FLS2基因克隆以后通過芯片分析鑒定了一條抗病信號路徑，F(xiàn)LS2調控的完整的MAPK信號途徑: MEKK1, MKK4/MKK5，MPK3/MPK6 和 WRKY22/WRKY297

8、；同時在分析擬南介對elf18的反應時發(fā)現(xiàn)，用flg22和elf18處理后誘導表達譜很相似，這說明二者利用相似的信號傳導路徑來啟動先天免疫反應。FLS2蛋白質結構和與動物中的TLR（Toll like receptor）同源程度很高，而動物中TLRs在對動物PAMPs的識別中起重要作用，TLR5是對鞭毛蛋白識別的受體，而FLS2也是一個鞭毛蛋白保守肽fls22的受體，這說明在動物和植物中先天免疫反應有著保守性，并且動物TLRs的信號傳導與FLS2的傳遞鏈也有著驚人的相似，TLRs通過MyD88及TRAF6的信號傳導，然后經(jīng)由MAPK的磷酸化級聯(lián)反應，進入到核中通過轉錄因子來啟動免疫反應，這說明

9、MAPK在先天免疫反應中的重要作用，并且標明在長期的進化過程中先天免疫反應在動物和植物中依然保守，植物先天免疫在植物對病源菌抑制有著重要的作用。2 效應分子引發(fā)的免疫反應 病原微生物利用效應子攻克植物免疫系統(tǒng)的第一道防線后，在自然選擇的壓力下，植物也進化出了能夠特異性識別這些效應子的受體，開始啟動另一道免疫防線效應子觸發(fā)的免疫（ETI）8。R基因編碼的產(chǎn)物R蛋白通常定位在植物細胞內(nèi)，這與它們識別相應效應子的功能相符合。能夠誘導R 基因抗性反應的這些病原物效應子基因被稱為無毒（Avirulence，Avr）基因。ETI 是基于 R 蛋白對 Avr 蛋白直接或間接的識別而產(chǎn)生的，因此也被稱為基因對

10、基因的抗病性（Gene-for-gene resistance）。基因對基因”假說認為對應于寄主的每一個決定抗病性的基因, 病原物也存在一個決定致病性的無毒基因(Avirulence, Avr)。這種抗性必須在寄主R基因和病原物Avr基因同時存在并發(fā)生相互作用時才可產(chǎn)生, 當在不含相應R基因的寄主內(nèi), 則Avr起著毒性基因的功能, 抑制防衛(wèi)反應發(fā)生,這樣的防衛(wèi)反應屬于效應子引發(fā)的免疫反應抗性。R蛋白與Avr蛋白之間存在三種相互作用模式, 分別為直接相互作用模式、間接相互作用模式和轉錄調控模式。2.1 直接作用模式 直接相互作用模式是指植物R基因編碼受體, 病原物Avr基因編碼配體, 兩者直接相

11、互作用, 激活抗病信號, 產(chǎn)生過敏性壞死9。在此模式中, 最為典型的例證是水稻R基因產(chǎn)物Pi-ta與稻瘟菌Avr基因產(chǎn)物Avr-Pita可直接相互作用, 二者的直接相互作用是產(chǎn)生抗性的基礎。Pi-ta的LRR結構域突變會喪失與AVR-Pita的相互作用能力, 產(chǎn)生感病反應。早期研究表明亞麻抗銹病R蛋白L與亞麻銹菌AvrL567、擬南芥AtRRS1-R與互補的青枯病菌Avr基因產(chǎn)物PopP210-12及煙草N蛋白與TMV 的Avr基因產(chǎn)物復制酶p50能直接結合13-14。2.2 間接作用模式 間接相互作用模式是指R蛋白與Avr蛋白不直接發(fā)生相互作用，通過寄主的一個輔助蛋白來發(fā)生間接相互作用。隨著

12、研究的深入, 越來越多的實驗證據(jù)表明, 絕大多數(shù)R蛋白確實通過輔助蛋白間接地與病原物Avr相互作用, 因此又提出了間接相互作用模式。這種間接相互作用模式是指R蛋白、寄主輔助蛋白及Avr蛋白以復合物的形式完成R蛋白與Avr蛋白相互作用, 進而引發(fā)過敏性壞死。用來解釋這種間接相互作用模式機理的有“保衛(wèi)”模式(guard model)、“陷阱”模式(decoy model)與“誘餌開關”模式(bait and switch model)。2.2.1 “保衛(wèi)”模式 “保衛(wèi)”模式模式認為, 病原物Avr基因基本功能是作為毒性因子攻擊植物靶標, 抑制寄主的防衛(wèi)反應; 病原物侵染含R基因的植物時, Avr作

13、用于靶蛋白, R蛋白發(fā)現(xiàn)靶標被攻擊, “保衛(wèi)”靶標免受攻擊, 激活各類防衛(wèi)反應, 阻止病原物進一步侵染。“保衛(wèi)”模式很好地解釋了病原物Avr和植物R基因的生物學功能, 即Avr的基本功能是作為病原物的毒性因子, 在病原物的侵染、抑制寄主防衛(wèi)反應過程中起重要作用; 而R蛋白的基本功能是作為監(jiān)控蛋白/保衛(wèi)者保衛(wèi)植物的重要組分(被保衛(wèi)者)免受病原物的攻擊和侵犯。例如來自P. syringae的AvrPphB 和擬南芥RPS5相互作用系統(tǒng)的證據(jù)。該系統(tǒng)研究結果表明, AvrP-phB 是一個半胱氨酸蛋白酶, 它先通過自我切割活化自己, 活化后的AvrPphB 切割寄主PBS1, 從而激活PBS1激酶活

14、性, 導致寄主R 蛋白RPS5活化和抗病性產(chǎn)生15。在該系統(tǒng)中, PBS1為AvrPphB 的靶蛋白, RPS5起“保衛(wèi)”PBS1 的作用。同樣，大豆疫霉的效應因子,Avr3b編碼一種分泌蛋白，具有ADP-核糖/NADH焦磷酸化酶的活性。這種蛋白在植物的免疫反應中可作為負調控物，破壞寄主的免疫反應16。2.2.2“陷阱”模式陷阱是指病原物效應子的假靶標, 即靶蛋白類似物(假靶標), 與真正靶蛋白的序列或結構相似。假靶標的功能是使Avr誤把假靶標作為靶標蛋白進行識別與修飾, 引發(fā)R 蛋白介導的HR;在不含R基因的植物中, 假靶標對致病性與抗病性沒有影響。假靶標的產(chǎn)生是自然選擇的結果, 即當具有功

15、能的R基因存在時, 自然選擇使保衛(wèi)蛋白與效應子結合以增強對病原物的識別。在功能性R基因不存在時, 保衛(wèi)蛋白傾向于減少與效應蛋白的結合以避免被效應蛋白監(jiān)測及修飾17。由此可以推斷, 假靶標在植物體內(nèi)種類比較多。“ 陷阱” 模式與“ 保衛(wèi)” 模式的最大區(qū)別在于解釋了不含R 基因的植物中假靶標與病原物的致病性無關這一現(xiàn)象.辣椒與十字花科蔬菜黑腐病菌的相互作用系統(tǒng)中, 轉錄因子型效應子AvrBs3, 通過結合UPA20 (up-regulated by AvrBs3)基因啟動子區(qū)的一段特殊順式作用元件, 誘導UPA20 基因表達來促進細胞增生, 從而減弱植物的抗病性18。植物為了避免侵染,形成了R基因

16、雇傭感病基因的啟動子( 啟動子相當于陷阱), 一旦有效應子進入,就會誘發(fā)R基因表達。2.2.3 “誘餌開關”模式 “誘餌開關” 模式認為植物利用誘餌來誤導病原物是一個非常普遍的機制。植物識別病原物的過程分為兩步, 首先誘餌( 輔助蛋白) 與Avr相互作用, 從而引發(fā)過敏性壞死。該模式存在的前提是R 蛋白須存在兩方面的功能:1、N末端能與輔助蛋白( 即保衛(wèi)模式中的保衛(wèi)蛋白)相互作用；2、LRR 結構域能與Avr相互作用19。其作用過程為:在沒有Avr時, R蛋白可通過分子內(nèi)相互作用使自身失活。輔助蛋白是失活的R蛋白所設置的誘餌，如果誘餌沒有特異性的改變, 則R蛋白始終保持分子內(nèi)相互作用形式,不會

17、引發(fā)免疫反應；如果Avr與誘餌蛋白相互作用，R 蛋白就會與復合物結合, NBS 通過結合ATP 或ADP,解除分子內(nèi)相互作用,LRR 結構域呈激活( 即打開開關), 激活下游信號。在該模式中, 輔助蛋白是Avr與R蛋白相互作用的中間橋梁, R蛋白的N 端識別輔助蛋白并與其相互作用,因此,理論上具有相同或相似的N 端結構域的R 蛋白應該有相同的輔助蛋白,這一點在部分R蛋白中得到了體現(xiàn)20。誘餌可與多個效應子相互作用, 但特異性差, 因此R 與Avr的相互作用必須是特異性的, 這些特異性的相互作用, 最終決定何種相互作用啟動過敏性壞死信號途徑20。3結 語 近年來，關于植物與病原微生物互作分子機制

18、的報道越來越多，人們對植物抗病機制的理解也更加深入。開展植物與病原微生物間相互作用的研究，不僅可以加深我們對植物-病原微生物互作及交叉進化等方面機制的認識，而且可以為作物疾病防治及抗病基因工程提供理論依據(jù)及策略，具有十分重要的意義。目前對植物病原菌互作的認知主要來自于對雙子葉植物，尤其是對模式植物擬南芥的研究，而對于單子葉植物的抗病分子機理所知甚少；許多農(nóng)作物都是單子葉植物，因此對它們抗病機制的研究急需進一步加強。此外，隨著高通量測序技術的快速發(fā)展，已經(jīng)有很多學者著手于細菌、真菌及卵菌的基因組研究，這為進一步、廣泛地研究植物與病原微生物間的相互作用提供了便利條件。 參考文獻1 Ausubel

19、FM. Are innate immune signaling pathways in plants and animals conserved? Nat Immunol 2005; 6(10): 973-981.2 Jones JD, Dangl JL. The plant immune system. Nature 2006; 444(7117): 32-39.3 Felix, G., Duran, J.D., Volko, S., Boller, T. Plants have a sensitive perception system for the most conserved dom

20、ain of bacterial flagellin. Plant J.1999; 18, 265 -276.4 Gmez-Gmez L, Felix G, Boller T . A single locus determines sensitivity tobacterial flagellin in Arabidopsis thaliana. Plant J ,1999;18:227-284.5 Gmez-Gmez, L.and Boller, T. FLS2: an LRR receptor-like kinase involved in the perception of the ba

21、cterial elicitor flagellin in Arabidopsis. Mol. Cell 5,2000 ;100310116 Zipfel C, Kunze G, Chinchilla D, Caniard A, Jones JDG, Boller T, Felix G. Perception of the bacterial PAMP EF-Tu by the receptor EFR restricts Agrobacterium-mediated transformation.Cell ,2006;125:7497607 Asai, T., Tena, G., Ploni

22、kova, J., Willmann, M., Chiu, W.L.,Gomez-Gomez, L.,Boller, T., Ausubel, F.M., and Sheen, J. 2002. MAP kinase signaling cascade in Arabidopsis innate immunity. Nature 415:977-983.8 Jones JD, Dangl JL. The plant immune system. Nature 2006; 444(7117): 323-9.9 Keen NT. Gene-for-gene complementarity in p

23、lant-pathogen interactions. Annu Rev Genet 1990; 24: 447-63.10 Deslandes L, Olivier J, Peeters N, Feng DX, Khounlotham M, Boucher C, et al. Physical interaction between RRS1-R, a pro -tein conferring resistance to bacterial wilt, and PopP2, a type III effector targeted to the plant nucleus. Proc Nat

24、l Acad Sci USA 2003; 100(13): 8024-9.11 Jia Y, McAdams SA, Bryan GT, Hershey HP, Valent B. Direct in -teraction of resistance gene and avirulence gene products confers rice blast resistance. EMBO J 2000; 19(15): 4004-14.12 Lahaye T. Illuminating the molecular basis of gene-for-gene resistance; Arabi

25、dopsis thaliana RRS1-R and its interaction with Ralstonia solanacearum popP2. Trends Plant Sci 2004; 9(1): 1-4.13 Dodds PN, Lawrence GJ, Catanzariti AM, Teh T, Wang CI, Ay -liffe MA, et al . Direct protein interaction underlies gene-for-gene specificity and coevolution of the flax resistance genes a

26、nd flax rust avirulence genes. Proc Natl Acad Sci USA 2006; 103(23): 8888-93.14 Ueda H, Yamaguchi Y, Sano H. Direct interaction between the tobacco mosaic virus helicase domain and the ATP-bound re -sistance protein, N factor during the hypersensitive response in tobacco plants. Plant Mol Biol 2006; 61(1/2): 31-45.15 Shao F, Golstein C, Ade J, Stoutemyer M, Dixon JE, Innes R