植物在生長發(fā)育過程中，會不時面臨著復(fù)雜惡劣的環(huán)境挑戰(zhàn)，其中包括來自于各種病原微生物（例如細(xì)菌、真菌和卵菌等）的攻擊。由病原微生物侵染導(dǎo)致的植物病害是自然生態(tài)系統(tǒng)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大危害，這給全球糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。

植物在與病原菌長期“博弈”的過程中，進(jìn)化出了免疫系統(tǒng)。植物通過細(xì)胞膜表面的受體蛋白識別病原菌的一些分子，如鞭毛蛋白，從而激活第一層免疫系統(tǒng)（稱為PTI）來抵抗病原菌的入侵。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?！澳Ц咭怀叩栏咭徽伞?，植物會通過另外一類受體蛋白感知病原菌的一些毒性蛋白，從而觸發(fā)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。

PTI和ETI這兩層免疫系統(tǒng)是由不同免疫受體識別不同的病原菌來源的分子，并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)域的研究都是將兩條免疫通路作為兩個獨(dú)立平行的免疫分支，來分別尋找兩個通路中的重要元件及其如何調(diào)控植物的防御反應(yīng)。但PTI和ETI這兩層免疫系統(tǒng)之間的關(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。

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)隊在《自然》上發(fā)表最新研究成果，解答了這一重要科學(xué)問題，揭示了植物兩大類免疫通路PTI和ETI并不是獨(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)，該研究為人們重新認(rèn)識和理解植物免疫提供了重要理論依據(jù)。

研究人員發(fā)現(xiàn)在第一層免疫系統(tǒng)PTI缺失的植物中，也很大程度喪失了由第二層免疫系統(tǒng)ETI介導(dǎo)的植物抗病能力。這一現(xiàn)象表明植物的PTI免疫系統(tǒng)相對于ETI免疫系統(tǒng)不可或缺。經(jīng)過進(jìn)一步科研攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)第一層免疫系統(tǒng)對激活第二層免疫系統(tǒng)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?；钚匝踝鳛槟軌蛑苯託⑺啦≡姆肿蛹胺糯笾参锲渌庖呤录男盘?，對植物抵抗病原菌的入侵具有重要作用。

該論文通訊作者辛秀芳告訴《中國科學(xué)報》，這項研究揭示了植物兩層免疫系統(tǒng)通過精密地分工合作來實(shí)現(xiàn)活性氧的大量產(chǎn)生，其中ETI免疫系統(tǒng)負(fù)責(zé)增強(qiáng)活性氧合成酶RBOHD蛋白的表達(dá)，而PTI免疫系統(tǒng)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)。

有趣的是，這項研究還發(fā)現(xiàn)植物的ETI免疫系統(tǒng)可以通過增強(qiáng)PTI免疫系統(tǒng)中核心蛋白組分的表達(dá)，從而放大PTI免疫系統(tǒng)，誘導(dǎo)其更加持久的免疫輸出。因此，PTI和ETI兩大免疫系統(tǒng)相輔相成，為植物在應(yīng)對病原菌入侵時激發(fā)強(qiáng)烈而持久的免疫反應(yīng)提供了有力保障。

近年來，隨著全球氣候變化，農(nóng)作物病害的暴發(fā)嚴(yán)重影響了全球糧食安全。專家表示，這項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，而且為后續(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。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03316-6

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