Nature Plants | 统一的植物免疫

为了应对微生物入侵，植物采用了由模式触发免疫（PTI）和效应因子触发免疫（ETI）组成的两级免疫系统（Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！）。PTI和ETI被广泛认为是植物免疫系统的不同分支，人们对两者之间的机制联系了解甚少。近日，国际顶级学术期刊Nature上的两个最新报道采用拟南芥-丁香假单胞菌系统分析了PTI和ETI途径（Nature | 重磅！英国塞恩斯伯里实验室Jonathan Jones团队揭示植物细胞表面和细胞内受体共同激活对病原菌的防御！Nature | 重磅！中科院植生所辛秀芳团队揭示模式识别受体是NLR介导的植物免疫所必需的！）。两组都发现了两个分支之间意想不到的相互依存关系，包括令人惊讶的发现，即ETI依赖于PTI组件，而ETI的作用部分是通过增强PTI来实现的。

2021年3月30日，国际权威学术期刊Nature Plants发表了德国图宾根大学植物分子生物学中心Thorsten Nürnberger教授团队的最新相关研究成果，题为Plant immunity unified的观点评论。

PTI由模式识别受体（PRRs）介导，该模式识别受体识别细胞表面保守的微生物模式（病原相关分子模式，PAMPs）（Cell | 瑞士洛桑大学研究揭示植物根部免疫系统如何区别对待病原微生物和有益微生物！）。另一方面，ETI使用核苷酸结合域富含亮氨酸重复（NLR）的受体，该受体检测在植物细胞内部起作用的多态性病原体分泌的效应因子（Science | 清华大学和马普所重磅研究！植物免疫受体：一个巴掌拍不响！Science | 重磅！加州伯克利研究揭示植物抗病小体ROQ1识别病原菌效应蛋白新机制！Science | 专家点评：植物NLR免疫受体与植物防御反应！Annual Review of Plant Biology | 植物和动物细胞内守护者NLRs的比较概述！Nature Reviews Immunology | 重磅！Paul Schulze-Lefert综述NLR介导的植物免疫！）。PTI通常赋予低水平的基础免疫力，对非适应性病原体有效，而ETI赋予针对宿主适应性病原体更强大的免疫力。直到最近，ETI仍主要使用具有或不具有多种公认效应因子的微生物病原体进行研究。但是，大多数病原体带有多种效应因子，所有病原体（和非病原体）也都具有PAMPs。因此，很少在没有PTI的情况下研究ETI。

为了更仔细地检查由单个效应因子介导的ETI，Yuan等人利用缺乏植物毒性冠突素和除AvrRpt2以外的所有效应因子的丁香假单胞菌菌株。该菌株在野生型拟南芥中诱导抗性，但在缺乏多种PRR或PRR共受体的株系中却没有诱导抗性。同样，Ngou等人报告指出，AvrRps4诱导的抗性在PTI缺失的基因型中丧失。这些令人惊讶的结果表明，PTI必须对有效的ETI反应起作用。为了剖析PTI和ETI的影响，Ngou等和Yuan等使用了编码雌二醇诱导细菌效应因子的拟南芥株系。AvrRps4的条件表达不会启动活性氧（ROS）的合成，但会增强和延长由细菌、卵菌或真菌衍生的结构多样的免疫原性模式触发的ROS产生。同样，Yuan等人结果表明，AvrRpt2表达仅产生很小的ROS反应，但显着增强了对细菌鞭毛蛋白（flg22）的ROS反应。

在PTI中，模式诱导的细胞质受体激酶BIK1的磷酸化，以及随后BIK1依赖的NADPH氧化酶异构体RBOHD的磷酸化，是ROS产生所必需的。这些过程通过伴随ETI的激活而增强，这强烈地表明ETI增强了PTI的信号传导。为了了解ETI如何增强PTI，这两项研究调查了ETI激活后的蛋白和转录水平，观察到PRRs、PRR共受体和下游PTI信号元件的蛋白丰度升高。他们进一步发现，ETI介导的PTI蛋白丰度的增加是在转录、转录后和翻译水平上控制的。重要的是，来自TOLL-INTERLEUKIN RECEPTOR 1和COILED-COILNLR家族的各种NLR都能放大PTI。总的来说，这些研究结果表明，ETI对PTI诱导的生理变化的增效是一种普遍现象，与所涉及的模式和效应因子的类型无关。

PTI对ETI依赖性免疫的需求提出了一个问题，即PTI如何有助于有效的抗病性。ETI通常与程序性细胞死亡（超敏反应，HR）相关联，并有效地阻止植物被宿主适应的微生物感染。Ngou等人报道，单单条件性表达细菌AvrRps4不会导致HR。同样，细菌鞭毛蛋白模式处理也不会导致拟南芥的HR；但是，AvrRps4的条件表达与模式处理一起确实会导致HR。同样，Yuan等人也表明，flg22处理会加速AvrRpt2介导的HR。为了了解ETI和PTI的共同激活如何导致HR，Ngou等人研究了RBOHD的作用--因为ETI增强了PTI诱导的该酶的激活--发现AvrRps4诱导的HR在rbohd rbohf突变体中受损。同样，Yuan等人也观察到rbohd基因型对携带AvrRpt2病原体的防御能力受损。这些都是非常重要的发现，因为它们证明了由ETI放大的模式触发的NADPH氧化酶激活有助于HR。

这两项研究的重要见解包括：（1）ETI通过尚不清楚的分子机制提升PTI信号元件的蛋白水平；（2）ETI需要PTI来提供完全的抗性；（3）PTI增强ETI的输出，如HR，以限制病原体增殖。这些研究结果支持图1中提出的模型，即在感染过程中，易感宿主植物会引发PRR诱导的反应以对抗病原体扩散（PTI）。在没有NLR受体识别同源效应因子的情况下（没有ETI），效应因子介导的PTI抑制导致宿主易感性和疾病进展（图1a）。然而，当ETI通过细胞内NLR受体被激活时，PRR介导的防御得到加强，从而植物可以通过营养限制、细胞壁强化和生产抗菌化合物来阻止病原体的进入。在这种情况下，ETI的激活通过增加PTI成分的丰度来抵消PTI抑制效应因子的有害作用，而PTI成分的丰度又可能增强ETI的输出以阻止感染(图1b)。

图1：PTI和ETI的相互增效

这两项研究的真正优点是，首次将植物免疫描述为一个统一的系统，由两个功能上相互依赖、相互增效的分支组成，其中细胞表面PRRs和细胞内NLRs协同作用，提供对微生物感染的抵抗力。PTI和ETI之间的功能联系表明，两个分支可能是同时进化的。这如何与ETI是由于PTI被微生物效应因子丧失能力而进化而来的主流观点相调和，还有待观察。这些发现可能进一步暗示，非宿主抗性可能是由于具有足够的NLRs，识别多种微生物效应因子，因此（非）病原体可能无法逃避其阻断。未来的工作可能会阐明PTI和ETI之间的功能合作是如何在机理上实现的，以及为拟南芥免疫所描述的这种情况是否对普遍的植物有效。

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