综述:细胞表面模式识别受体:植物与卵菌相互作用中的新兴参与者

时间:2025年10月31日
来源:Current Opinion in Plant Biology

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植物通过PRRs和NLRs的双层先天免疫系统抵御卵菌感染,PRRs识别病原体相关分子模式(PAMPs)启动快速防御,而NLRs通过识别效应子触发更强烈的免疫应答。近年来发现PRRs能感知卵菌分泌的脂肪酸等新型PAMPs,其分子机制和信号通路研究取得突破,为作物抗病育种提供新策略。

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孙碧莹|张崇远|王天|董素萌|梁孔
中国农业与林业生物安全国家重点实验室,南京农业大学植物保护学院,南京,210095,中国
植物依赖两层先天免疫系统来检测和抵御微生物感染。该系统包括细胞表面模式识别受体(PRRs)和细胞内核苷酸结合富亮氨酸重复受体(NLRs),这两种受体在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana,以下简称Arabidopsis)和多种作物中都得到了广泛研究。历史上,与PRR介导的免疫相比,NLR介导的免疫在植物-卵菌相互作用方面的研究更为深入,主要是因为后者能提供更强的抗性。然而,最近新PRRs的发现及其在作物中的分子机制的阐明显著提高了人们对PRR介导的卵菌免疫的兴趣。同时,最新研究表明卵菌PRRs能够识别有助于病毒性的宿主来源分子。因此,本文综述了近年来在理解植物-卵菌相互作用过程中PRR介导的免疫和信号感知方面的显著进展,特别强调了受体识别、信号级联以及调控PRR对卵菌感染反应的分子机制。

引言

作为固定生物,植物进化出了两层防御系统来抵御多种微生物病原体,包括卵菌、细菌、线虫、真菌、病毒、寄生植物和食草动物[1]。细胞表面模式识别受体(PRRs),包括受体样激酶(RLKs)和受体样蛋白(RLPs),能够感知保守的病原体相关或损伤相关分子模式(PAMPs/DAMPs),从而启动第一层植物免疫,称为模式触发免疫(PTI)[2, 3, 4]。病原体分泌多种效应子来抑制或阻断PTI,从而促进定殖并导致效应子触发易感性(ETS)[5]。当PRRs识别配体时,会与共受体如体细胞胚胎发生受体激酶(SERKs)家族蛋白BAK1(BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1)和SOBIR1(SUPPRESSOR OF BIR1)结合,激活PTI信号传导[6]。在与病原体的共同进化过程中,植物获得了功能性的细胞内核苷酸结合富亮氨酸重复受体(NLRs),可以直接或间接识别效应子,从而形成第二层更强的免疫,称为效应子触发免疫(ETI)[7]。PTI和ETI的激活会触发一系列下游事件,包括活性氧(ROS)的产生、钙离子流入、丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)的激活和激素信号传导、抗微生物物质(如植保素)的产生以及过敏反应(HR)[6]。重要的是,PTI和ETI可以协同作用,诱导更强的植物防御[8, 9, 10, 11]。
卵菌属于子囊菌门,与藻类在进化上较为接近,它们能够引起植物和动物的严重疾病[12]。卵菌包含大约65个属,其中Phytophthora、霜霉病、白锈病、Pythium和Aphanomyces是最著名的植物病原体,能够感染多种植物[13]。例如,Phytophthora infestans是马铃薯和番茄晚疫病的致病菌,而Pythium sojae会导致大豆根腐病,这两种病害在全球范围内都会造成严重的产量损失[14]。过去几十年中,Phytophthora-植物相互作用一直是研究植物免疫和病原体毒力机制的模型系统[12,15]。大量研究集中在NLRs和卵菌分泌的效应子上,这体现了宿主与病原体之间的军备竞赛[16]。迄今为止,已从野生马铃薯近缘种中克隆出许多NLRs,其中许多NLRs通过识别Phytophthora infestans分泌的相应效应子而提供品种特异性抗性[17]。这些发现显著提高了我们对NLR介导的卵菌免疫信号传导的理解,并为作物抗性育种提供了宝贵见解。然而,新效应子等位基因的快速进化和出现导致抗性在几个生长季节内就被克服[17],这对作物抗性育种构成了重大挑战。相比之下,PRR介导的免疫是一种更持久且广谱的防御机制,它在感染早期阶段就发挥作用,显示出其在作物抗性工程中的巨大潜力[18]。值得注意的是,最近的研究阐明了PRR介导的卵菌感染免疫反应的机制。本文综述了植物-卵菌相互作用过程中PRR介导的免疫反应的最新发现,重点关注PRRs及其对植物免疫的影响。

部分摘录

多种植物PRRs能感知elicitin

在过去的几十年里,elicitin被鉴定为Phytophthora和Pythium分泌培养滤液中的一种保守模式分子[19]。Elicitins是一类小型、亲水、富含半胱氨酸的蛋白质(约10 kDa),通常包含98个氨基酸和六个保守的半胱氨酸残基,这些残基稳定了其三级结构[20](表1)。研究最广泛的elicitin是INF1,由Phytophthora infestans分泌,被用作研究PRR介导免疫的模型卵菌来源PAMP

RDA2能感知卵菌来源的脂肪酸

多项研究表明,微生物来源的脂质分子,特别是脂肪酸和鞘脂,可以作为新的PAMP来触发PTI[60](表1)。例如,细菌产生的中链3-羟基脂肪酸(mc-3-OH-FAs)能被拟南芥中的凝集素RLK LORE(LIPOOLIGOSACCHARIDE-SPECIFIC REDUCED ELICITATION)识别,从而引发典型的PTI反应[61]。同样,Phytophthora infestans会向植物细胞质外基质分泌一种称为Pi-Cer D的鞘脂类脂质

结论与展望

植物-卵菌相互作用系统是研究免疫信号传导和植物病原体毒力的经典模型之一[15]。尽管植物基因组,尤其是作物基因组,编码了大量的PRRs,但这些受体的功能特性尚未得到系统研究[42]。重要的是,野生作物物种是识别关键免疫成分的宝贵遗传资源,为发现新的PRRs提供了新方法

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划(2024YFD1401200)、江苏省自然科学基金(BK20240086)、国家自然科学基金(NSFC,831003)、江苏省特聘教授基金(840006)以及南京归国人员科技创新项目(840008)的支持(L.K.获得NSFC资助32488302和32130088;S.D.获得NSFC资助)。作者对因篇幅限制未提及或未重点介绍的其他研究工作表示歉意

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