植物免疫反應(yīng)研究進(jìn)展

1、WORD格式植物免疫反響研究進(jìn)展摘要：植物在與病原微生物共同進(jìn)化過程中形成了復(fù)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(guān)分子模式 PAMPs誘導(dǎo)的免疫反響 PTI 是植物限制病原菌增殖的第一層反響，效益分子 effectors引發(fā)的免疫反響 ETI 是植物的第二層防衛(wèi)反響。 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響作用機制進(jìn)展了綜述，為進(jìn)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(guān)鍵詞： 植物免疫；機制； PTI ；ETI植物在長期進(jìn)化過程中形成了多種形式的抗性，與動物可通過位移來防止侵染所不同的是，植物幾乎不能發(fā)

2、生移動，只有通過啟動內(nèi)部免疫系統(tǒng)來抑制侵染，植物的先天免疫是適應(yīng)的結(jié)果是同其他生物協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。植物模式識別受體(pattern recognitionreceptors)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(dǎo)防衛(wèi)反響,限制病原物的入侵,這種抗性稱為病原物模式分子引發(fā)的免疫反響(PAMP-triggeredimmunity,PTI) 1。為了成功侵染植物，病原微生物進(jìn)化了效應(yīng)子(effector)蛋白來抑制病原物模式分子引發(fā)的免疫反響。同時，植物進(jìn)化了R 基因來監(jiān)控、識別效應(yīng)子 , 引起細(xì)胞過

3、敏性壞死 (hypersensitive response, HR)，限制病原物的入侵， 這種抗性叫效應(yīng)分子引發(fā)的免疫反響 (effector-triggered immunity, ETI) 2。1 病原物模式分子引發(fā)的免疫反響1.1 植物的 PAMPsPAMPs 是病原微生物外表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(guān)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

4、醇，幾丁質(zhì)和葡聚糖等。有研究證明在水稻中發(fā)現(xiàn)了兩個包含LysM 構(gòu)造域的真菌細(xì)胞壁激發(fā)子，LysM構(gòu)造域在原核和真核生物中都存在，與寡聚糖和幾丁質(zhì)的結(jié)合有關(guān)，在豆科植物中克隆了兩個具有LysM 構(gòu)造域的受體蛋白激酶，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， Felix 等專業(yè)資料整理WORD格式3鑒定出含有 22個氨基酸保守殘基的鞭毛蛋白質(zhì)flg22 在不同的植物細(xì)胞中都可作為抗性相關(guān)反響的激發(fā)子。EF-Tu elongation factor Tu 是一個

5、在所有細(xì)菌中都存在的保守蛋白，它具有 N 端乙酰基化的特點， 包含 EF-Tu的前 18個氨基酸以及 N 端的乙酰基的蛋白 elf18，可以激活植物的防衛(wèi)反響，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-recognitionreceptors， PRRs，這類受體的別離比較困難，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別離了flg22 和 EF-Tu 的受體。利用 flg22

6、 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個突變體 fls2-0 、 fls2-17 和 fls2-24 ，然后通過圖位克隆策略別離克隆了這個基因，命名為FLS2 ，該基因編碼 1173個氨基酸， 129 kDa。蛋白質(zhì)中有四個保守構(gòu)造域， 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

7、體的處理中發(fā)現(xiàn)突變植株對flg22 沒有反響但對細(xì)菌的總蛋白有反響，這說明在植物體內(nèi)還存在其它的反響途徑。 EFREF-Tureceptor是 EF-Tu 的受體，也編碼一個絲 / 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(zhuǎn)化效率，這說明植物的 PAMPs誘導(dǎo)的這種反響會降低農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化效率6 。1.3 PTI 反響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響來抵抗病源菌的進(jìn)一步入侵，在這個反響的效應(yīng)終究是哪

8、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(diào)控的完整的MAPK 信號途徑: MEKK1, MKK4/MKK5 ，MPK3/MPK6 和 WRKY22/WRKY29 7；同時在分析擬南介對elf18 的反響時發(fā)現(xiàn)，用 flg22和 elf18 處理后誘導(dǎo)表達(dá)譜很相似，這說明二者利用相似的信號傳導(dǎo)路徑來啟動先天免疫反專業(yè)資料整理WORD格式應(yīng)。 FLS2蛋白質(zhì)構(gòu)造和與動物中的TLR Toll like receptor同源程度很高，而動物中TLRs專業(yè)資料整理WORD格式在對動物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

9、一個專業(yè)資料整理WORD格式鞭毛蛋白保守肽fls22 的受體，這說明在動物和植物中先天免疫反響有著保守性，并且動物TLRs 的信號傳導(dǎo)與FLS2的傳遞鏈也有著驚人的相似，TLRs 通過 MyD88 及 TRAF6 的信號專業(yè)資料整理WORD格式傳導(dǎo)，然后經(jīng)由MAPK的磷酸化級聯(lián)反響，進(jìn)入到核中通過轉(zhuǎn)錄因子來啟動免疫反響，這說明 MAPK在先天免疫反響中的重要作用，并且標(biāo)明在長期的進(jìn)化過程中先天免疫反響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(yīng)分子引發(fā)的免疫反響病原微生物利用效應(yīng)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(jìn)化出了能夠特異性識別

10、這些效應(yīng)子的受體，開場啟動另一道免疫防線 效應(yīng)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(xì)胞內(nèi)，這與它們識別相應(yīng)效應(yīng)子的功能相符合。能夠誘導(dǎo)R 基因抗性反響的這些病原物效應(yīng)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?qū)虻目共⌒?Gene-for-gene resistance?；?qū)蚣僬f認(rèn)為對應(yīng)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

11、作用時才可產(chǎn)生, 當(dāng)在不含相應(yīng) R 基因的寄主內(nèi) ,那么 Avr 起著毒性基因的功能 , 抑制防衛(wèi)反響發(fā)生,這樣的防衛(wèi)反響屬于效應(yīng)子引發(fā)的免疫反響抗性。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(zhuǎn)錄調(diào)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(chǔ)。 Pi-ta 的 L

12、RR構(gòu)造域突變會喪失與AVR-Pita 的相互作用能力 , 產(chǎn)生感病反響。早期研究說明亞麻抗銹病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(fù)制酶 p50 能直接結(jié)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。隨著研究的深入 ,越來越多的實驗證據(jù)說明 , 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

13、蛋白、寄主輔助蛋白及Avr 蛋白以復(fù)合物的形式完成R 蛋白與 Avr 蛋白相互作用 , 進(jìn)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(guān) 模式 (bait and switch model) 。2.2.1“保衛(wèi) 模式專業(yè)資料整理WORD格式保衛(wèi) 模式模式認(rèn)為 , 病原物 Avr 基因根本功能是作為毒性因子攻擊植物靶標(biāo), 抑制寄主的防衛(wèi)反響 ; 病原物侵染含 R 基因的植物時 , Avr 作用于靶蛋白 , R 蛋白發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)被攻擊,保衛(wèi) 靶標(biāo)免受攻擊 , 激活各類防衛(wèi)反響, 阻止病原物進(jìn)一步侵染。保

14、衛(wèi) 模式很好地解釋了病原物 Avr 和植物 R 基因的生物學(xué)功能, 即 Avr 的根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)反響過程中起重要作用; 而 R 蛋白的根本功能是作為監(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(jié)果說明, 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,從而激專業(yè)資料整理WORD格式活 PBS1 激酶活性AvrPphB 的靶蛋白種分泌蛋白， 具有,導(dǎo)致寄

15、主R 蛋白 RPS5 活化和抗病性產(chǎn)生15 。在該系統(tǒng)中, PBS1為, RPS5 起保衛(wèi) PBS1的作用。 同樣， 大豆疫霉的效應(yīng)因子 ,Avr3b 編碼一 ADP- 核糖 /NADH 焦磷酸化酶的活性。 這種蛋白在植物的免疫反響中可作專業(yè)資料整理WORD格式為負(fù)調(diào)控物，破壞寄主的免疫反響16 。2.2.2 陷“阱模式陷阱是指病原物效應(yīng)子的假靶標(biāo), 即靶蛋白類似物(假靶標(biāo) ), 與真正靶蛋白的序列或結(jié)構(gòu)相似。假靶標(biāo)的功能是使Avr 誤把假靶標(biāo)作為靶標(biāo)蛋白進(jìn)展識別與修飾, 引發(fā) R 蛋白介導(dǎo)的 HR; 在不含 R 基因的植物中 , 假靶標(biāo)對致病性與抗病性沒有影響。假靶標(biāo)的產(chǎn)生是自然選擇的結(jié)果

16、, 即當(dāng)具有功能的 R 基因存在時 , 自然選擇使保衛(wèi)蛋白與效應(yīng)子結(jié)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(yīng)蛋白的結(jié)合以防止被效應(yīng)蛋白監(jiān)測及修飾17。由此可以推斷, 假靶標(biāo)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(biāo)與病原物的致病性無關(guān)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(zhuǎn)錄因子型效應(yīng)子AvrBs3,通過結(jié)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(dǎo) UPA20 基因表達(dá)來促進(jìn)細(xì)胞增生, 從而減弱植物的抗病性18 。植物

17、為了防止侵染,形成了R 基因雇傭感病基因的啟動子( 啟動子相當(dāng)于陷阱), 一旦有效應(yīng)子進(jìn)入,就會誘發(fā)R 基因表達(dá)。2.2.3誘“餌 開關(guān) 模式誘餌 開關(guān) 模式認(rèn)為植物利用誘餌來誤導(dǎo)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 構(gòu)造域能與Avr 相互作用19。其作用過程為 :在沒有 Avr 時 , R 蛋白專業(yè)資料整理WORD格式可通過分子內(nèi)相互作用使自身失活。輔助蛋白是失活的R 蛋白所

18、設(shè)置的誘餌，如果誘餌沒有特異性的改變 , 那么 R 蛋白始終保持分子內(nèi)相互作用形式,不會引發(fā)免疫反響；如果Avr 與誘餌蛋白相互作用， R 蛋白就會與復(fù)合物結(jié)合, NBS通過結(jié)合 ATP 或 ADP, 解除分子內(nèi)相互作用 ,LRR 構(gòu)造域呈激活 ( 即翻開開關(guān) ), 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 端構(gòu)造域的R 蛋白應(yīng)該有一樣的輔助蛋白,這一點在局部R 蛋白中得到了體現(xiàn)20 。誘餌可與多個效應(yīng)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

19、, 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(jié) 語近年來，關(guān)于植物與病原微生物互作分子機制的報道越來越多，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-病原微生物互作及穿插進(jìn)化等方面機制的認(rèn)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(rèn)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(jìn)一步加強。此外，隨著高通量測序技術(shù)的快速開展， 已經(jīng)有很

20、多學(xué)者著手于細(xì)菌、真菌及卵菌的基因組研究，這為進(jìn)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。專業(yè)資料整理WORD格式參考文獻(xiàn)1 Ausubel 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., V olk

21、o, S., Boller, T. Plants have a sensitive perception system for the most conserved domain of bacterial flagellin. Plant J.1999; 18, 265 -276.4 G mezó-Gómez L, Felix G , Boller T . A single locus determines sensitivity tobacterial flagellin in Arabidopsis thaliana. Plant J ,1999;18:227-284.

22、5 G mezó-Gómez, L.and Boller, T. FLS2: an LRR receptor-like kinase involved in the perception of the bacterial 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

23、 the receptor EFR restricts Agrobacterium-mediated transformation.Cell ,2006;125:749 7607 Asai, T., Tena, G., Plonikova, 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

24、 JD, Dangl JL. The plant immune system. Nature 2006; 444(7117): 323-9.9 Keen NT. Gene-for-gene complementarity in plant-pathogen interactions. Annu Rev Genet 1990; 24: 447-63.10 Deslandes L, Olivier J, Peeters N, Feng DX, Khounlotham M, Boucher C, et al. Physicalinteraction between RRS1-R, a pro -te

25、in conferring resistance to bacterial wilt, and PopP2, a typeIII effector targeted to the plant nucleus. Proc Natl Acad Sci USA2003; 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 resistan

26、ce. EMBO J 2000; 19(15): 4004-14.12 Lahaye T. Illuminating the molecular basis of gene-for-gene resistance; Arabidopsis 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 a

27、l . Direct proteininteraction underlies gene-for-gene specificity and coevolution of the flax resistance genes and 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.專業(yè)資料整理WORD格式15 Shao F, Golstein