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
[2]
分子引发的免疫反应(effector-triggered immunity, ETI)。

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
[6]
诱导的这种反应会降低农杆菌的转化效率。

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
[10-12]
基因产物PopP2 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
―保卫‖模式模式认为, 病原物Avr 基因基本功能是作为毒性因子攻击植物靶标, 抑制寄主的防卫反应; 病原物侵染含R 基因的植物时, Avr 作用于靶蛋白, R 蛋白发现靶标被攻击, ―保卫‖靶标免受攻击, 激活各类防卫反应, 阻止病原物进一步侵染。

―保卫‖模式很好地解释了病原物Avr 和植物R 基因的生物学功能, 即Avr 的基本功能是作为病原物的毒性因子, 在
病原物的侵染、抑制寄主防卫反应过程中起重要作用; 而R 蛋白的基本功能是作为监控蛋白
/保卫者保卫植物的重要组分(被保卫者)免受病原物的攻击和侵犯。

例如来自P.syringae 的AvrPphB 和拟南芥RPS5 相互作用系统的证据。

该系统研究结果表明, AvrP-phB 是一个半
胱氨酸蛋白酶, 它先通过自我切割活化自己, 活化后的AvrPphB 切割寄主PBS1, 从而激
活PBS1 激酶活性, 导致寄主R 蛋白RPS5 活化和抗病性产生[15] 。

在该系统中, PBS1 为AvrPphB 的靶蛋白, RPS5 起―保卫‖PBS1的作用。

同样，大豆疫霉的效应因子,Avr3b 编码一
种分泌蛋白，具有ADP- 核糖/NADH 焦磷酸化酶的活性。

这种蛋白在植物的免疫反应中可作
为负调控物，破坏寄主的免疫反应[16]。

2.2.2 陷“阱”模式
陷阱是指病原物效应子的假靶标, 即靶蛋白类似物(假靶标), 与真正靶蛋白的序列或结
构相似。

假靶标的功能是使Avr 误把假靶标作为靶标蛋白进行识别与修饰, 引发R 蛋白介导的HR;在不含R 基因的植物中, 假靶标对致病性与抗病性没有影响。

假靶标的产生是自然
选择的结果, 即当具有功能的R 基因存在时, 自然选择使保卫蛋白与效应子结合以增强对病
原物的识别。

在功能性R 基因不存在时, 保卫蛋白倾向于减少与效应蛋白的结合以避免被效
应蛋白监测及修饰[17]。

由此可以推断, 假靶标在植物体内种类比较多。

―陷阱‖模式与―保卫‖模式的最大区别在于解释了不含R 基因的植物中假靶标与病原物的致病性无关这一现
象.
辣椒与十字花科蔬菜黑腐病菌的相互作用系统中, 转录因子型效应子AvrBs3, 通过结
合UPA20 (up-regulated by AvrBs3) 基因启动子区的一段特殊顺式作用元件, 诱导UPA20 基
因表达来促进细胞增生, 从而减弱植物的抗病性[18]。

植物为了避免侵染,形成了R 基因雇佣感病基因的启动子( 启动子相当于陷阱), 一旦有效应子进入,就会诱发R 基因表达。

2.2.3 诱“饵—开关”模式
―诱饵—开关‖模式认为植物利用诱饵来误导病原物是一个非常普遍的机制。

植物识别病原物的过程分为两步, 首先诱饵( 辅助蛋白) 与Avr 相互作用, 从而引发过敏性坏死。

该模
式存在的前提是R 蛋白须存在两方面的功能:1、N 末端能与辅助蛋白( 即保卫模式中的保卫
蛋白)相互作用；2、LRR 结构域能与Avr 相互作用[19] 。

其作用过程为:在没有Avr 时, R 蛋白
可通过分子内相互作用使自身失活。

辅助蛋白是失活的R 蛋白所设置的诱饵，如果诱饵没
有特异性的改变, 则R 蛋白始终保持分子内相互作用形式,不会引发免疫反应；如果Avr 与诱饵蛋白相互作用，R 蛋白就会与复合物结合, NBS 通过结合ATP 或ADP,解除分子内相互
作用,LRR 结构域呈激活( 即打开开关), 激活下游信号。

在该模式中, 辅助蛋白是Avr 与R
蛋白相互作用的中间桥梁, R 蛋白的N 端识别辅助蛋白并与其相互作用,因此,理论上具有相
同或相似的N 端结构域的R 蛋白应该有相同的辅助蛋白,这一点在部分R 蛋白中得到了体
现[20] 。

诱饵可与多个效应子相互作用, 但特异性差, 因此R 与Avr 的相互作用必须是特异
性的, 这些特异性的相互作用, 最终决定何种相互作用启动过敏性坏死信号途径[20] 。

3结语
近年来，关于植物与病原微生物互作分子机制的报道越来越多，人们对植物抗病机制的
理解也更加深入。

开展植物与病原微生物间相互作用的研究，不仅可以加深我们对植物-病原微生物互作及交叉进化等方面机制的认识，而且可以为作物疾病防治及抗病基因工程提供
理论依据及策略，具有十分重要的意义。

目前对植物－病原菌互作的认知主要来自于对双子
叶植物，尤其是对模式植物拟南芥的研究，而对于单子叶植物的抗病分子机理所知甚少；许多农作物都是单子叶植物，因此对它们抗病机制的研究急需进一步加强。

此外，随着高通量测序技术的快速发展，已经有很多学者着手于细菌、真菌及卵菌的基因组研究，这为进一步、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。

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