植物免疫反应研究进展

植物免疫反应研究进展

摘要：植物在与病原微生物共同进化过程中形成了复杂的免疫防卫体系。植物的先天免疫系统可大致分为两个层面:PTI和ETI。病原物相关分子模式（PAMPs）诱导的免疫反应PTI 是植物限制病原菌增殖的第一层反应，效益分子（effectors）引发的免疫反应ETI是植物的第二层防卫反应。本文主要对植物与病原物之间的相互作用以及植物的免疫反应作用机制进行了综述，为进一步广泛地研究植物与病原微生物间的相互作用提供了便利条件。

关键词：植物免疫；机制；PTI；ETI

植物在长期进化过程中形成了多种形式的抗性，与动物可通过位移来避免侵染所不同的是，植物几乎不能发生移动，只有通过启动内部免疫系统来克服侵染，植物的先天免疫是适应的结果是同其他生物协同进化的结果。植物模式识别受体(pattern recognition receptors)识别病原物模式分子(pathogen associated molecular patterns, PAMPs), 激活体内信号途径，诱导防卫反应, 限制病原物的入侵, 这种抗性称为病原物模式分子引发的免疫反应(PAMP-triggered immunity, PTI)[1]。为了成功侵染植物，病原微生物进化了效应子(effector)蛋白来抑制病原物模式分子引发的免疫反应。同时，植物进化了R基因来监控、识别效应子, 引起细胞过敏性坏死(hypersensitive response, HR)，限制病原物的入侵，这种抗性叫效应分子引发的免疫反应(effector-triggered immunity, ETI)[2]。

1 病原物模式分子引发的免疫反应

1.1植物的PAMPs

PAMPs是病原微生物表面存在的一些保守分子。因为这些分子不是病原微生物所特有的，而是广泛存在于微生物中，它们也被称为微生物相关分子模式

（Microbe-associated molecular pattern, MAMPs）。目前在植物中确定的PAMPs有：flg22和elf18，csp15，以及脂多糖，还有在真菌和卵菌中的麦角固醇，几丁质和葡聚糖等。有研究证明在水稻中发现了两个包含LysM结构域的真菌细胞壁激发子，LysM 结构域在原核和真核生物中都存在，与寡聚糖和几丁质的结合有关，在豆科植物中克隆了两个具有LysM结构域的受体蛋白激酶，是致瘤因子（Nod-factor）的受体，在根瘤菌和植物共生中必不可少，这说明PAMPs在其它方面的功能。在这些PAMPs中flg22和elf18的研究比较深入，Felix 等

[3]鉴定出含有22个氨基酸保守残基的鞭毛蛋白质flg22在不同的植物细胞中都可作为抗性相关反应的激发子。EF-Tu（elongation factor Tu）是一个在所有细菌中都存在的保守蛋白，它具有N端乙酰基化的特点，包含EF-Tu的前18个氨基酸以及N端的乙酰基的蛋白elf18，可以激活植物的防卫反应，可以产生氧迸发（oxidative burst）、乙烯增加和对后来接种病原菌的抗性。

1.2 植物体内对PAMPs的识别因子

对于PAMPs/MAMPs在植物体内的识别因子称为模式识别受体（pattern-recognition receptors，PRRs），这类受体的分离比较困难，因为不同的受体特异的识别PAMPs，而且目前在植物中鉴定的PAMPs较少，在拟南芥中利用突变体成功分离了flg22和EF-Tu的受体。利用flg22对植物生长有抑制作用的特点[4]，Boller 等从大量的EMS突变体中筛选对flg22不敏感的突变体，得到了3个突变体fls2-0、fls2-17和fls2-24，然后通过图位克隆策略分离克隆了这个基因，命名为FLS2，该基因编码1173个氨基酸，129 kDa。蛋白质中有四个保守结构域，1-23是一个信号肽序列，815-831是单跨膜区，88-745为胞外的LRR区，870–1150是一个蛋白激酶区，属于一个受体蛋白激酶，并且发现EMS的突变体的突变位点在LRR区和激酶区都有发生，这说明LRR区和激酶区对其发挥作用都很重要[5]。在对FLS2突变体的处理中发现突变植株对flg22没有反应但对细菌的总蛋白有反应，这说明在植物体内还存在其它的反应途径。EFR（EF-Tu receptor）是EF-Tu的受体，也编码一个丝/苏氨酸受体蛋白激酶，长1031个氨基酸，大小为113 kDa，96-606 编码LRR区，712-1000为激酶区。同时还发现efr植株对农杆菌的侵染比较敏感，并且表现为一种高转化效率，这说明植物的PAMPs 诱导的这种反应会降低农杆菌的转化效率[6]。

1.3 PTI反应的信号途径

植物通过PRRs对PAMPs识别后往往会快速的启动先天免疫反应来抵制病源菌的进一步入侵，在这个反应的效应究竟是哪些基因在作用，在FLS2基因克隆以后通过芯片分析鉴定了一条抗病信号路径，FLS2调控的完整的MAPK信号途径: MEKK1, MKK4/MKK5，MPK3/MPK6 和WRKY22/WRKY29[7]；同时在分析拟南介对elf18的反应时发现，用flg22和elf18处理后诱导表达谱很相似，这说明二者利用相似的信号传导路径来启动先天免疫反应。FLS2蛋白质结构和与动物中的TLR（Toll like receptor）同源程度很高，而动物中TLRs 在对动物PAMPs的识别中起重要作用，TLR5是对鞭毛蛋白识别的受体，而FLS2也是一个鞭毛蛋白保守肽fls22的受体，这说明在动物和植物中先天免疫反应有着保守性，并且动物TLRs的信号传导与FLS2的传递链也有着惊人的相似，TLRs通过MyD88及TRAF6的信号

传导，然后经由MAPK的磷酸化级联反应，进入到核中通过转录因子来启动免疫反应，这说明MAPK在先天免疫反应中的重要作用，并且标明在长期的进化过程中先天免疫反应在动物和植物中依然保守，植物先天免疫在植物对病源菌抑制有着重要的作用。

2 效应分子引发的免疫反应

病原微生物利用效应子攻克植物免疫系统的第一道防线后，在自然选择的压力下，植物也进化出了能够特异性识别这些效应子的受体，开始启动另一道免疫防线——效应子触发的免疫（ETI）[8]。R基因编码的产物R蛋白通常定位在植物细胞内，这与它们识别相应效应子的功能相符合。能够诱导R 基因抗性反应的这些病原物效应子基因被称为无毒（Avirulence，Avr）基因。ETI 是基于R 蛋白对Avr 蛋白直接或间接的识别而产生的，因此也被称为基因对基因的抗病性（Gene-for-gene resistance）。基因对基因”假说认为对应于寄主的每一个决定抗病性的基因, 病原物也存在一个决定致病性的无毒基因(Avirulence, Avr)。这种抗性必须在寄主R基因和病原物Avr基因同时存在并发生相互作用时才可产生, 当在不含相应R基因的寄主内, 则Avr起着毒性基因的功能, 抑制防卫反应发生,这样的防卫反应属于效应子引发的免疫反应抗性。R蛋白与Avr蛋白之间存在三种相互作用模式, 分别为直接相互作用模式、间接相互作用模式和转录调控模式。

2.1 直接作用模式

直接相互作用模式是指植物R基因编码受体, 病原物Avr基因编码配体, 两者直接相互作用, 激活抗病信号, 产生过敏性坏死[9]。在此模式中, 最为典型的例证是水稻R基因产物Pi-ta与稻瘟菌Avr基因产物Avr-Pita可直接相互作用, 二者的直接相互作用是产生抗性的基础。Pi-ta的LRR结构域突变会丧失与AVR-Pita的相互作用能力, 产生感病反应。早期研究表明亚麻抗锈病R蛋白L与亚麻锈菌AvrL567、拟南芥AtRRS1-R与互补的青枯病菌Avr 基因产物PopP2[10-12]及烟草N蛋白与TMV 的Avr基因产物复制酶p50能直接结合[13-14]。

2.2 间接作用模式

间接相互作用模式是指R蛋白与Avr蛋白不直接发生相互作用，通过寄主的一个辅助蛋白来发生间接相互作用。随着研究的深入, 越来越多的实验证据表明, 绝大多数R蛋白确实通过辅助蛋白间接地与病原物Avr相互作用, 因此又提出了间接相互作用模式。这种间接相互作用模式是指R蛋白、寄主辅助蛋白及Avr蛋白以复合物的形式完成R蛋白与Avr蛋白相互作用, 进而引发过敏性坏死。用来解释这种间接相互作用模式机理的有“保卫”模式(guard model)、“陷阱”模式(decoy model)与“诱饵—开关”模式(bait and switch model)。

2.2.1 “保卫”模式