第一或通讯作者发表《Science》四篇，中科院研究员在小分子激活植物防御机制中取得重要突破
学术
2024-11-24 20:10
法国
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确保粮食供应对于国家安全和发展至关重要。当前，频繁发生的植物疾病和虫害不仅降低了作物产量，还影响了农产品的质量，给国家粮食安全带来了挑战。同时，化学农药的广泛使用也对生态环境造成了负面影响。探索植物免疫调节的分子机制，并开发环保且高效的病害防控手段，成为了植物免疫学领域的关键研究方向。2024年11月，国际顶级学术期刊Science以First Release的形式在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心万里研究团队题为“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling“的研究论文。这项研究表明，无论是拟南芥中的TIR-NLR免疫受体还是细菌的TIR免疫受体，都能产生一种名为2’cADPR的小分子，作为pRib-AMP的前体物质，促进大型免疫蛋白复合体的形成，进而触发植物的免疫反应和抗病能力。进一步的研究显示，2’cADPR本身就能有效激发植物强烈的免疫反应和抗病性能，这预示着它可能成为一种新型“生物农药”的基础。万里研究员专注于植物免疫机制的研究。其前期在结构生物学家Bostjan Kobe实验室和植物病理学家Jeff Dangl实验室的工作系统性揭示了植物细胞内免疫受体TIR-NB-LRR二聚化、作为NAD+降解酶实现信号转导，以及下游相关CCr-NB-LRR作为钙离子通道导致细胞死亡和免疫反应的分子机理。这些成果均以共同第一或共同通讯作者发表在Science。植物免疫系统的构成主要包括两种类型：细胞表面受体介导的PTI（模式触发免疫）和细胞内受体介导的ETI（效应子触发免疫）。PTI是指植物通过细胞膜上的受体识别病原微生物释放的病原相关分子模式，从而启动免疫反应以抵抗病原体的侵袭。而ETI则是指细胞内的受体能够识别病原微生物分泌进入细胞内的效应因子，通过干扰这些效应因子对PTI免疫反应的抑制作用，引发感染区域的细胞死亡，以此来抵御病原菌的感染。PTI和ETI共同作用，调控植物对病原微生物的抗性。在这个过程中，EDS1-PAD4-ADR1分子模块扮演着关键角色，对植物的PTI和ETI免疫反应都具有重要影响。在由TIR蛋白触发的ETI免疫反应中，含有TIR结构域的受体蛋白（包括TNLs和仅含TIR结构域的蛋白）表现出NAD+水解酶活性，生成小分子信号物质pRib-AMP/ADP及2’cADPR。目前，关于这些信号分子是如何调控EDS1-PAD4-ADR1模块，以及它们如何影响植物免疫反应的具体机制，仍需进一步探究。研究团队运用结构生物学技术，成功解析了由植物TIR蛋白激活的EDS1-PAD4-ADR1蛋白复合体的结构。研究发现，当植物TIR蛋白产生的pRib-AMP/ADP被EDS1-PAD4识别后，会导致后者发生构象变化，促进其与ADR1的结合，形成EDS1-PAD4-ADR1复合体，进而启动植物的免疫反应。进一步的研究表明，能产生2’cADPR的细菌TIR蛋白，例如HopBY和AbTirTIR，同样可以诱导EDS1-PAD4-ADR1复合体的形成并激活免疫功能，而那些只能产生3’cADPR的细菌TIR蛋白，如HopAM1和AaTirTIR，则不具备这种能力。高分辨率质谱和结构生物学分析显示，这些能够产生2’cADPR的细菌TIR蛋白同样依赖于小分子pRib-AMP来促进EDS1-PAD4-ADR1复合体的形成，这提示2’cADPR可能是在细胞内由pRib-AMP转化而来。通过一系列生理生化实验验证，2’cADPR确实在植物细胞内转换成了pRib-AMP。RNAseq实验结果表明，2’cADPR处理拟南芥叶片后，能够引起与植物ETI免疫响应相似的基因表达变化。实验证明，直接用2’cADPR处理植物可以增强其对丁香假单胞菌DC3000(D36E)的抗性，这意味着2’cADPR能够人为地激活植物的ETI免疫反应，产生强大的抗病效果。与pRib-AMP相比，2’cADPR更为稳定，适合作为开发新型“生物农药”的候选物质，用于激发作物广泛的抗病性，减少化学农药的使用。TIR蛋白产生2’cADPR并被转化为pRib-AMP诱导EPA复合体激活植物免疫反应分子植物卓越中心博士研究生于华、徐炜莹和陈思思为论文的共同第一作者，万里研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员的合作和支持。同时，该研究工作得到国家重点研发计划、植物性状形成与塑造重点实验室（中国科学院）、国家自然科学基金面上项目和中国科学院先导项目等资助。TIR蛋白介导的ETI免疫反应在植物免疫和农业抗性育种中占据核心地位。本研究深入探讨了植物免疫受体的作用机制，为人工设计和改造植物免疫受体提供了理论依据，有助于解决植物病虫害问题。由于植物源2’cADPR的安全性较高，它作为激发作物广泛抗病性的新型“生物农药”有着广阔的开发前景，有利于降低化学农药的使用，促进农业的绿色发展，保护生态环境，保障粮食安全。![]()
