一场没有硝烟的战争，小议植物的免疫系统

相信对于包括笔者在内的许多年轻人来说，从没有像如今这样关注自己的免疫力。以前，关注免疫力也许只是父母甚至爷爷奶奶辈的老年人的专利。不过，今年一场突如其来的新冠病毒的爆发使“提高自身免疫力”的观念更加深入年轻群体的心。

虽然新冠病毒在国内已经得到了有效的控制，但是疫情在国外的新一轮爆发，又为我们抗疫的阶段性胜利带来新的考验。正如病毒的名字中显示的那样，这是一种人类从未遇到过的新型病毒，至今仍没有特效药。对于那些不幸感染上病毒的患者来说，只能依靠自身的免疫系统顽强抵抗。

免疫系统是大自然对人类的馈赠，是我们每一个个体得以生存的基本保证。我们生存的环境危机四伏，我们每时每刻都被数以亿计的病原体包围！免疫系统是我们身体中不知疲倦的“国防部队”，它们无时无刻不在战场上拼杀，抵御“外敌”的入侵。哪儿有什么岁月静好，只是有免疫系统在为我们负重前行！

免疫系统是不知疲倦的“国防部队”

对于植物们来说，它们所面对的来自病原体的挑战要比我们人类多得多！和我们可以自由活动，主动趋利避害不同，植物一旦在一个地方生根发芽，基本上就会在那儿生活一辈子。而且，它们不具有循环免疫系统，更没有疫苗这样的抵御病原体的终极武器。那么，在面对各种病原侵染时，植物们是如何抵御“外族入侵”的呢？今天，我们就一起学习一下植物的免疫系统（Journal of BiologicalChemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！）。

虽然没有循环免疫系统，植物却拥有“装备精良”的先天免疫系统（innate immune system），它们可以感受并限制病原体的生长【1】。另外，由于植物体中没有可移动的免疫细胞，植物的每一个细胞都必须具有感受和抵抗病原体的能力。在和各种病原生物数百万年“斗智斗勇”的过程中，植物基因组中进化出了数百种免疫受体（immune receptors）。免疫受体是植物和病原体交战的“军火库”，它们可以识别所有的病原物，并使植物作出合适的免疫反应【2】。

植物的免疫受体可分为两大类：第一类叫PRRs（pattern recognition receptors），第二类叫NLR（nucleotide-binding–leucine-rich repeat）受体。一般情况下，PRRs定位在细胞膜上，属于受体激酶家族，包括三个典型的结构域：胞外配体结合结构域，跨膜结构域和胞内激酶结构域【1】。定位于细胞表面的PRRs可以监测胞外环境中有无病原相关分子，决定细胞是否启动免疫反应。

PRRs的胞外结构域可以特异识别病原保守的PAMP（pathogen-associated molecular pattern），比如细菌的鞭毛蛋白和真菌的几丁质，通过跨膜结构域激活胞内的激酶结构域，进而激活下游的免疫信号。这是植物的第一层免疫系统，被称为PTI（PAMP-triggered immunity）【3】。PTI会启动一系列细胞学和生理学反应，使植物抵御病原的侵染；比如钙离子内流，离子外排，肌动蛋白重构（New Phytologist | 破坏的肌动蛋白：植物病原菌攻击感应的新参与者？），胞间连丝和气孔关闭（Nature |英国Sainsbury实验室重磅研究揭示植物气孔免疫机制！），胼胝质沉积（Molecular Plant | VOZ控制β-氨基丁酸诱导的胼胝质防御），ROS、NO、 磷脂酸、植物抗毒素（植物病原真菌通过异硫氰酸酯水解酶抵抗植物葡萄糖苷酸防御机制）、激素的产生（Cell Reports| 生长素和SA信号通路之间的拮抗互作通过拟南芥的侧根调节细菌侵染！），以及抗病基因表达等【3】。PTI足以让植物对大部分病原体产生免疫。但是，顽固的病原生物绝不会轻易“束手就擒”，它们还有一支精锐的“特种部队”，可以悄悄深入敌后，杀敌于无形。

植物的PRRs和PTI【3】

为了突破固若金汤的第一层免疫系统的封锁，病原生物会分泌一类叫做效应因子（effector）的小分子到植物细胞中。Effector可以通过抑制PRRs的翻译，抑制PRRs及其复合物的活性，影响MAPK及其下游信号的传递，影响囊泡运输和胼胝质沉积等一系列手段对PTI进行干扰【2】。这样，病原菌就可以顺利侵染。不过，植物细胞也不会就此“任人宰割”。面对这种情况，植物会紧急启动第二层免疫系统。

位于细胞内部的NLR受体可以直接或间接识别effector，使植物作出第二层免疫反应，被称为ETI（effector-triggered immunity）。和PTI相比，ETI的反应更加强烈，并且一般伴随着程序性细胞死亡（programmed cell death ）。这种强烈的细胞死亡过程，被称为过敏反应（HR, hypersensitive respons），在植物抵抗活体营养型病菌过程中具有重要作用。ETI激活的下游免疫反应和PTI相似，但是强度更大，持续时间也更长【4】。

ETI和PTI引起相似的免疫反应【5】

PRRs和NLR相互配合，可以使植物抵抗住大多数病菌的侵染。但是病原生物也绝不会轻易投降，它们会不断发明“新式武器”（effector），以突破现有免疫系统，成功侵染植物细胞。同样，植物也会进化出新的免疫受体，应对病原菌源源不断花样百出的进攻。这是一场持续数百万年的“军备竞赛”，无论是病原体还是植物，都必须使自己变得越来越强大，才能在这场残酷且激烈的竞争中存活下来。这是一场没有硝烟的战争！（PLOS PATHOGENS | 英国约克大学最新研究阐明卵菌效应蛋白致病机制！）

在农业发展的过程中，全球的育种家们通过选择农作物对病原体抗性更强的性状，育成新的品种，增加粮食产量。根据这种遗传学行为，Flor提出了著名的“基因对基因假说”：对于任何一个寄主抗病基因，病原物种都有一个与之相对应的无毒基因【6】。直到20世纪，科学家们才逐渐意识到，许多植物的抗病性状都是由NLR免疫受体编码的。有意思的是，面对形形色色的effector，NLR受体却有着近乎千篇一律的蛋白结构【7】。这种“刻板”的NLR受体蛋白到底是如何识别成千上万种各式各样的病原菌effector的？它们又是如何介导植物细胞产生免疫反应的呢？

欲知后事如何，请听下回分解！

参考文献：

【1】Zipfel, C. (2014). Plant pattern-recognition receptors. Trends in Immunology, 35(7), 345-351.

【2】Toruno, T. Y., Stergiopoulos, I., & Coaker, G. (2016). Plant-Pathogen Effectors: Cellular Probes Interfering with Plant Defenses in Spatial and Temporal Manners. Annual Review of Phytopathology, 54(1), 419-441.

【3】Yu, X., Feng, B., He, P., & Shan, L. (2017). From Chaos to Harmony: Responses and Signaling upon Microbial Pattern Recognition. Annual Review of Phytopathology, 55(1), 109-137.

【4】Cui, H., Tsuda, K., & Parker, J. E. (2015). Effector-triggered immunity: from pathogen perception to robust defense. Annual review of plant biology, 66, 487-511.

【5】Lolle, S., Stevens, D., & Coaker, G. (2020). Plant NLR-triggered immunity: from receptor activation to downstream signaling. Current Opinion in Immunology, 62, 99-105.

【6】Flor, H. H. (1971). Current status of the gene-for-gene concept. Annual review of phytopathology, 9(1), 275-296.

【7】Monteiro, F., & Nishimura, M. T. (2018). Structural, functional, and genomic diversity of plant NLR proteins: an evolved resource for rational engineering of plant immunity. Annual review of phytopathology, 56, 243-267.

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