植物免疫系统，从发现到运用 | Cell Press 青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2024年第八期（总第166期）专栏文章，由中国农业大学教授 郭海龙，就 Cell中的论文发表述评。

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Cell期刊在纪念创刊50周年之际，发行了一期关注免疫学的特刊。其中，植物免疫学奠基人Jonathan Jones、Brian Staskawicz和Jeffery Dangl三位美国科学院院士联合以“植物免疫系统，从发现到运用”为题回顾了1974年至2024年50年间植物免疫发展历程。文章概述了植物-微生物互作（MPMI）领域的重大研究成果及其发现的历史背景、科学价值和早期的一些免疫学先驱如Harold Henry Flor、Charles Janeway、Polly Matzinger和Thomas Boller的学术成就，并对MPMI领域一些未解答的科学问题和植物免疫系统在作物抗病性改良的运用策略进行了展望。值得一提的是，这是自Jonathan Jones和Jeffery Dangl于2006年在Nature上首次对植物免疫系统进行概念性论述后，两位奠基人第三次联合在顶级期刊对植物免疫系统进行专题评述。第二次是2016年两位奠基人同Russell Vance一起在Science期刊上专题评述了动植物胞内免疫系统。

全文旁征博引，洋洋洒洒一万多字。分别从1）植物病害影响人类和环境健康；2）1974 年之前至1994年间顶尖水准的植物免疫研究；3）回顾评论；4）农杆菌、植物肿瘤和作为毒力机器及研究和工程工具的肿瘤诱导Ti质粒；5）“拟南芥没有病原菌！”和早期的细菌效应子组学；6）1994至2004年间免疫受体的发掘；7）细胞表面受体和模式触发的免疫；8）监控、被监控者和诱饵—如何最大限度地利用有限的免疫受体库；9）免疫受体的结构生物学—抗病小体的揭示；10）接下来会发生什么？感知和防御反应之间的信号组分；11）成对NLR免疫受体和整合诱饵结构域；12）NLR免疫受体的多样性；13）原核毒性因子（效应蛋白）异乎寻常的多样性；14）真核微生物病原菌—基因组学遇上结构生物学和Alphafold；15) 整合概念框架—PTI和ETI之间的相互增强作用；16）被子植物免疫的进化起源；17）非寄主抗性的基础是什么；18）持久抗性的策略；19）系统获得性抗性信号；20）CRISPR对揭示和运用抗病性的颠覆性贡献这二十部分展开评述。

全文以时间线的形式总结了MPMI领域过去五十年的20大关键进展，包括：1）农杆菌T-DNA转移的破解；2）转基因植物的诞生；3）细菌无毒效应蛋白的克隆；4）克隆孟德尔遗传基因方法的建立；5）抗病基因的克隆，第一个核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体（NLR）基因的克隆；6）警戒模式的提出；7）诱饵模式的提出；8）成对NLR免疫受体复合物的发现；9）成对NLR免疫受体复合物中整合诱饵结构域的发现；10）辅助型NLRs的发现；11）EDS1、SAG101和PAD4的发现；12）FLS2和其它PTI免疫受体的克隆；13）PTI和ETI概念及zigzagzig模型的建立；14）基因组数据大爆炸：病原基因组学；15）卵菌和真菌效应子组学及无毒效应蛋白；16）基因组数据大爆炸：NLR多样性；17）抗病小体的揭示；18）PTI和ETI之间的相互增强；19）人工设计合成抗病基因；20）AlphaFold Multimer解析NLR和效应蛋白互作。

文章最后对接下来20年他们期待回答的十三个科学问题进行了展望，主要涉及如何提升我们鉴定每个被识别的效应蛋白其对应的R基因的能力，反之亦然；抗病小体产生的免疫信号小分子通过EDS1/PAD4和EDS1/SAG101异源二聚体复合物如何选择性的招募和激活ADR1和NRG1这类辅助型NLRs？ADR1主要介导转录重编程而NRG1主要介导细胞死亡是否与其亚细胞定位有关？抗病小体介导的钙离子内流如何激活转录重编程？是否有更多的辅助型NLRs以及单子叶植物里面的辅助型NLRs还待发现；拟南芥一些RPW8同源基因如何参与白粉病抗性以及其与NRG1和ADR1的N端结构域同源性的意义是什么；抗病反应抑制病原菌生长的机制还不清楚，尤其是没有细胞死亡伴随的抗病反应比如病毒的极端抗性；鉴于PTI和ETI互相增强，而病毒只激活ETI反应如何限制其生长；ROS和DAMPs等一些其它信号如何组合调控侵染细胞周围的邻近细胞的非细胞自主性免疫反应？关于致病机制和抗病机制的细胞生物学尤其是叶绿体等细胞器在叶片抗性中的作用还有很多需要了解；根部和叶部的免疫反应有多不同以及免疫系统和共生微生物的互作关系等。文章最后预测，在未来几年，更多的免疫受体的结构被解析以及基于AI人工智能的蛋白/蛋白互作预测，并结合基因组学将极大地丰富我们对植物如何抵抗病害以及病原菌如何规避寄主免疫反应的理解。对NLRs进行人工设计拓展识别新型效应蛋白提高作物抗病性的一系列工作将为MPMI领域提供更多的令人惊讶和兴奋的新视角。

▲图1 过去50年MPMI领域一些关键进展的时间表，主要强调了免疫受体如何识别其对应配体和病原菌效应蛋白的作用模式。日期表示时间段，以每项进展首次实现开始，后期时间意味着持续的进展和运用到今天（以年为单位）。

▲图2 简化卡通概述通过细胞表面模式识别受体（PRRs）和胞内NLR受体（CNLs或TNLs）及其辅助型NLRs（CNLs或RNLs）介导的植物先天免疫最重要特征。

PRRs（通常是含有至少一种具有蛋白激酶结构域的蛋白复合物）激活一系列胞内蛋白激酶（PK），从而可以激活转录因子（TF）。一些蛋白激酶会激活NADPH氧化酶从而产生活性氧ROS，同时也激活钙通道从而促进额外的信号传导。病原菌效应子可以干扰PRRs或其它蛋白激酶以及寄主其它成分（未显示）和转录因子的功能。这些效应子可以直接或间接地被CNLs或TNLs识别（用红色箭头表示），从而导致NLRs寡聚化。TNL寡聚形成四聚体抗病小体作为全酶具有NADase酶活性，水解产生的小分子激活EDS1家族蛋白与RNLs结合，从而实现RNLs寡聚化（RNLs寡聚体的结构尚不清楚，此处描述为四聚体）。RNLs与EDS1家族蛋白互作也可以激活转录。CNL和RNL寡聚化直接导致形成质膜通道。因此，NLRs激活和寡聚化通过多种途径最终形成促进免疫激活的钙通道。为了简化卡通图，没有显示质膜免疫受体和胞内免疫受体启动的信号传导之间的相互增强机制。

论文摘要

植物病害会导致饥荒，推动人类迁徙，并对农业可持续发展带来挑战，因为在气候变化大环境下病原菌范围会发生变化。植物育种家在100多年前就发现了赋予特定病原菌生理小种抗性的孟德尔遗传位点。随后的抗病育种支撑了现代农业，并随着用于遗传学和基因组学研究的模式植物的出现和关注，这在过去50年为分子生物学探索提供了丰富的资源。这些研究导致了胞外和胞内免疫识别受体的鉴定，这两类受体分别将对细胞外微生物编码的分子模式或胞内病原菌分泌的效应蛋白的识别转化为防御反应激活。这些受体系统和下游反应定义了自5亿年前植物成功登陆以来不断进化的植物免疫系统。我们目前对植物免疫系统的理解为合理的抗病改良提供了平台，以控制继续困扰作物生产的病害。

Plant diseases cause famines, drive human migration, and present challenges to agricultural sustainability as pathogen ranges shift under climate change. Plant breeders discovered Mendelian genetic loci conferring disease resistance to specific pathogen isolates over 100 years ago. Subsequent breeding for disease resistance underpins modern agriculture and, along with the emergence and focus on model plants for genetics and genomics research, has provided rich resources for molecular biological exploration over the last 50 years. These studies led to the identification of extracellular and intracellular receptors that convert recognition of extracellular microbe-encoded molecular patterns or intracellular pathogen-delivered virulence effectors into defense activation. These receptor systems, and downstream responses, define plant immune systems that have evolved since the migration of plants to land 500 million years ago. Our current understanding of plant immune systems provides the platform for development of rational resistance enhancement to control the many diseases that continue to plague crop production. 

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述评人简介

郭海龙

中国农业大学教授

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郭海龙，中国农业大学植物保护学院教授，博士生导师。2016博士毕业于中国科学院植物研究所；同年进入英国The Sainsbury Laboratory实验室从事博士后研究工作；于2021年2月入职中国农业大学植物病理系。主要从事植物抗病分子机理及病害绿色防控研究，近五年来相关研究成果发表在Cell Host & Microbe、PNAS、Plant Physiology等期刊上，先后获得国家自然科学基金委优秀青年基金（海外）和北京市科技新星人才计划等项目资助。

Guo Hailong, professor and Ph.D. supervisor at the School of Plant Protection, China Agricultural University. He got his Ph.D. from the Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences in 2016. In the same year, he then joined The Sainsbury Laboratory in the UK as a postdoc. In February 2021, he joined the Department of Plant Pathology of China Agricultural University. He has been investigating the molecular mechanisms involved in plant disease resistance and green disease prevention and control. Over the past five years, relevant research results have been published in Cell Host & Microbe, PNAS, Plant Physiology and other magazines. He has been supported by the Distinguished Young Scholars of the National Natural Science Foundation of China (Overseas) and the “Beijing Nova Program” from the Beijing Municipal Science & Technology Commission.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊 Cell 上，

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