植物抗病性的研究进展

Research Progress on Plant Disease Resistance

摘要: 病原体相关性免疫(PTI)和获得性免疫(ETI)是植物免疫系统的两种主要防御机制。不同因素引发不同的植物免疫过程。同时，PTI和ETI并非完全独立的两个系统，RLCKs在这两种免疫途径中发挥调控作用。植物免疫是一个动态平衡的过程，植物通过不断调整免疫策略来应对病原体挑战。

Abstract: Pathogen-associated immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI) are two primary defense mechanisms in the plant immune system. Various factors trigger different plant immune processes. Moreover, PTI and ETI are not entirely independent systems; receptor-like cytoplasmic kinases (RLCKs) play a regulatory role in both immune pathways. Plant immunity is a dynamic balancing process, where plants continuously adjust their immune strategies to respond to pathogenic challenges.

1. 引言

1.1. 背景

历史上曾出现的人类饥荒事件与植物减产息息相关，其中造成植物减产的因素中，对于植物病害的讨论，屡见不鲜。例如1845~1846年发生的爱尔兰饥馑(Irish famine)，由马铃薯晚疫病的爆发所导致，1942~1943年印度的孟加拉饥荒(Bengal famine)，由干旱及胡麻斑病侵害所导致[1]。植物病害的爆发对全球粮食安全和世界范围内的环境可持续性构成重大风险，并导致初级生产力和生物多样性的丧失，对受影响地区的环境和社会经济状况产生负面影响，同时近年来加剧的气候变化，改变病原体的进化及宿主病原体相互作用，增加了植物病害的爆发风险[2]。本文将基于植物免疫的视野，通过了解部分病原体与植物体相互作用的机制，达成对于植物抗病相关研究的初步了解。

1.2. 植物抗病性简述

在历经长期的进化历程后，植物对于环境变化产生了很强的适应性。根据病原物与寄主植物的相互关系和反抗程度，可将抗病类型分为：避病性、抗病性、耐病性三类。对于外界病原生物的入侵抵抗，一般从以下两个层面进行：1. 机械/结构阻碍，植物利用其结构上的特点，阻止病原微生物的侵入或是阻止其在植物体内的扩展。例如植物叶表面的蜡质层、角质层作为物理屏障阻止病原生物入侵、在受伤组织周围产生木栓组织分泌树脂防止病原生物的水解作用等。2. 植物细胞或者组织通过一系列的生理生化反应，来实现对于病原生物的抑制或者是抵抗作用。例如，在植物受到真菌、细菌等病原微生物入侵时，通过识别病原微生物，诱导次生代谢，产生对于病原微生物具有杀灭作用的化学物质；或是产生非诱导型代谢物贮存，再在病原体入侵后诱导转变，形成可以对抗病原生物的活性形式。

2. PTI与ETI

2.1. 植物进化出了不同的免疫受体并形成两种免疫响应机制

植物的免疫机制研究起始于1971年Flor提出的基因对基因假说，该假说讨论了植物对于某种病原体的特异抗性及病原体的专一致病性。当病原体入侵时，植物作为寄主，其基因组中分别含有感病基因(r)和抗病基因(R)，而病原体分别含有毒性基因(Vir)和无毒基因(Avr)。在病原体侵染植物本体时，仅当具备抗病基因R的植物与具有无毒基因(Avr)的病原体相遇时，才会激发植物抗病反应。

植物的触发免疫依赖于其体内相应受体识别。细胞表面模式识别受体(Cell-surface pattern recognition receptors, PRRs)和细胞内核苷酸结合、富含亮氨酸重复序列受体(intracellular nucleotide-binding and leucine-rich repeat receptors, NLRs)是目前已知的触发植物免疫的两类受体。

PRRs与质膜相关，分为类受体激酶(Receptor-like kinases, RLKs)和类受体蛋白(Receptor-like proteins, RLPs)，RLPs无胞质激酶结构域；RLKs具有胞外域、跨膜域与胞质激酶域。在免疫信号传导过程中，RLPs与RLKs可相互作用配合形成共受体，将信号传递至下游途径。

PRRs通过跨膜a-螺旋或糖磷脂酰肌醇(GPI)锚定定位于细胞膜上[3]；感知植物入侵病原体的保守特征，可识别微生物/病原体分子，这一过程称为微生物/病原体分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)，例如flg22 (细菌鞭毛中的保守小肽)通过FLS2及它的共受体BAK1触发免疫响应[4]；或者识别植物损伤后释放的分子，这一过程称为损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)，例如由PAMPs诱导产生的内源分泌肽PIPs通过PRR样受体激酶RLK7触发免疫响应[5]；又或者为应对食草动物，启动食草动物相关分子模式(herbivore-associated molecular patterns, HAMPs)。

PRRs都具有配体结合特异性，它们的配体结合特异性取决于他们的胞外结构域，目前已知的胞外结构域分别为富含亮氨酸的重复结构域(LRR domain)——识别蛋白配体；LysM结构域——识别壳聚糖；凝集素结构域——识别碳水化合物；表皮生长因子样结构域——识别从植物细胞壁释放的寡聚半乳糖醛酸[6]。

PRRs感知这些信号后以相应的分子模式产生相关模式触发免疫(pattern-triggered immunity, PTI)。

病原体为应对植物免疫在自然演变过程中，病原体已经进化出了通过分泌效应因子(effector)，来躲避或者抑制PTI过程的机制，由于PTI机制受到抑制，植物将处于易感状态(effector-triggered susceptibility, ETS) [7]。

为了应对病原体的效应因子，植物由此进化出了另一种免疫机制——效应因子触发免疫(effector-triggered immunity, ETI)。

效应因子可以在细胞内直接与NLRs相互作用而触发识别；或通过与寄主元件相互作用而被NLRs间接识别；或在效应因子触发下，引起NLRs上的整合结构域修饰，触发免疫。NLRs在动物和植物中都有所存在，在功能上，有传感器式NLRs和辅助NLRs，传感器式NLRs针对病原体效应因子的识别，辅助NLRs针对响应信号的输出[8] [9]。在结构特征上，包含可变的N端结构域(N-terminal)，中心段为保守的核苷酸结合域(BD)、寡聚结合域(NOD)，以及C端的LRR结构域。根据NLRs的N段结构域不同，大致可以分为以下三组：CNLs (具有螺旋结构域)、TNLs (白细胞介素受体结构域相关)及RNLs (具有RPW8相似的CC结构域)。此外，NLRs的C端LRR结构域在识别病原体效应因子后会寡聚形成抗病小体(resistosomes)，抗病小体具有Ca²⁺通道功能，可在植物细胞膜上作为Ca²⁺渗透通道介导ETI。

目前越来越多的学者已经证明了PTI和ETI之间存在许多共用的信号通路，并且信号间相互交织响应。例如，PTI与ETI都会引起下游丝裂原活化激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)产生级联反应，其中PTI引起重复、瞬时的MAPK活性，加强了局部的免疫反应，不产生植物细胞的死亡，ETI引起长时、稳定的MAPK活性，并伴随超敏反应(hypersensitive reaction, HR)引起的植物细胞的程序性死亡[10]-[12]。除MAPK级联反应外，过氧化物(ROS)积累及防御基因的表达[13] [14]；胞质钙离子内流，产生防御激素例如水杨酸、乙烯及转录重编程[15]等也是病原体在触发PTI或者ETI后常见的免疫表征。

2.2. RLCKs在PTI和ETI途径中具有调控意义

受体样胞质激酶(Receptor-like kinases, RLCKs)在PTI早期信号调控起作用，许多RLCK都被证明与PRRs间存在相互作用，例如：RLCK VII亚家族中PBS1-like1 (PBL1)及BIK1，与FLS2、EFR、CERK1等PRRs密切相关。在未受刺激的植物细胞中，BIK1和PBL1与FLS2形成复合物。然而，当FLS2在感知细菌鞭毛蛋白后时会触发BIK1在多个位点的磷酸化(Ser-233, Tyr-234, Ser-236和Thr-237)，导致BIK1和PBL1与FLS2的分离[16]。并且有报道指出，RLCK VII亚家族中的PBL27可被CERK1直接磷酸化，且为PAMP触发MAPK所必需[17]。此外，RLCK XII亚家族成员油菜素内酯–信号激酶1 (brassinosteroid signaling kinase 1, BSK1)也调节PTI的早期信号传导。BSK1最初被鉴定为BR受体BRI1的直接底物[18]。

RLCK还能通过MAPK的活化调控PTI，例如：RLCK VII亚家族成员可以直接磷酸化MAPKKK5的Ser-599位点，这种磷酸化为鞭毛蛋白和几丁质诱导的MPK3/6激活所必需。同时MPK6，能磷酸化MAPKKK5的Ser-682和Ser-692位点，以正反馈调节方式增强MAPK活性。(MAPKKK5/3-MKK4/5-MPK3/6级联) [19]。

RLCKs可以触发NLRs激活ETI。病原体可以通过一种具有半胱氨酸蛋白酶活性的假单胞菌效应因子AvrPphB，在一些易感植物中通过裂解BIK1，抑制PTI早期信号来促进细菌毒力[20]。抗丁香假单胞菌蛋白5 (Pseudomonas syringae protein 5, RPS5)是一种间接介导AvrPphB识别从而触发抗性植物ETI的NLRs。在没有AvrPphB时，RLCK家族的PBS1与RPS5的CC结构域结合。一旦AvrPphB进入植物细胞，其半胱氨酸蛋白酶将切割PBS1。在RPS5感知后，引起其构象变化，从而将RPS5转化为激活状态触发ETI [21] [22]。

2.3. 植物免疫的“之”字模型

PBS1与BIK1具有相似性，植物利用病原微生物效应因子的错误切割来达到激活免疫的目的。由此也可以看出，植物在应对微生物入侵时，进化出了一套机制，在当BIK1引起的PTI途径受到抑制时，可以触发ETI来完成免疫应答[16]。

同时NADPH氧化酶RBOHD产生ROS事件是连接PRR介导的免疫和NLR介导的免疫的早期关键事件。并且BIK1是ETI期间RBHOD、基因表达和细菌耐药性完全激活所必需[4]。

此外，NLRs通常由植物的抗病R基因编码，一些植物已经进化到能够重新识别新的效应因子来重新建立ETI [23]。

如此这般，当PTI受到抑制时，ETI被触发，病原体又通过进化去除效应因子或者使效应因子多样化来逃避或者抑制ETI，由此产生“之字形”模型(“zig-zag-zig” model)。

3. 总结

本文探讨了植物免疫系统中两种主要的防御机制：病原体相关性免疫(PTI)和获得性免疫(ETI)。PTI通过细胞表面的模式识别受体(PRRs)、识别病原体相关分子模式(PAMPs)，触发一系列信号级联反应，激活防御基因表达，产生防御物质和细胞结构，以限制病原体入侵。ETI则是在PTI受到病原体效应蛋白抑制时，植物进化出的一种更强烈的免疫反应，通过细胞内核苷酸结合、富含亮氨酸重复序列受体(NLRs)识别效应蛋白，激活防御基因表达，产生防御物质，并引发细胞死亡等反应。RLCKs在PTI和ETI途径中具有调控意义，例如RLCK VII亚家族中的PBS1-like1 (PBL1)和BIK1，以及RLCK XII亚家族中的BSK1。植物免疫是一个动态平衡的过程，植物通过不断地调整和优化免疫策略，以适应不断变化的病原体环境。