学术活动
科研进展

植物逆境中心Chanhong Kim课题组研究发现植物细胞核和质体基因差异表达会触发植物免疫反应的新机制

2019-01-09

        2019年1月4日,国际权威学术期刊 The Plant Cell 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海植物逆境生物学研究中心Chanhong Kim研究组题为"Uncoupled Expression of Nuclear and Plastid Photosynthesis-associated Genes Contributes to Cell Death in a Lesion Mimic Mutant"的研究论文。该研究首次报道了细胞核/叶绿体双定位蛋白SIB1同步调节细胞核和叶绿体编码的光合作用相关蛋白来调控植物细胞死亡的新机制。该研究揭示了叶绿体在植物免疫反应体系中的重要作用。
 
        叶绿体是半自主细胞器,绝大部分叶绿体蛋白都是由核基因组编码并运输到叶绿体中的。保持叶绿体基因组和细胞核基因组基因表达的一致性,是成功组装一个有功能的叶绿体的关键。组装好的叶绿体通过光合作用将太阳能转化为化学能存储起来。不能进行光合作用的植物病菌,只能通过侵染植物细胞获得必要的营养物质。植物病菌的侵染会极大地影响光合作用、叶绿体的功能以及植物的生长和发育。因此,植物需要建立免疫防御体系,阻止病菌的侵染。许多研究表明,叶绿体能够感知病菌侵染,并迅速地将信号传递给细胞核,促使植物建立免疫防御体系。然而,植物如何利用质体和细胞核来协同感知并抵抗外源入侵,其内在的信号转导和分子机理是什么,则尚不明了,这也是领域内非常关心的核心科学问题。
 
        本研究中,Chanhong Kim博士研究团队发现,叶绿体中合成的水杨酸能够诱导转录调节因子SIB1的表达。SIB1基因编码的蛋白能够分别定位到叶绿体和细胞核中,在叶绿体中,引起光合作用相关基因表达下调;在细胞核中引起光合作用相关基因表达上调。细胞核和叶绿体基因的差异表达,会在光系统II中产生光抑制效应,从而在叶绿体中过量地积累单线态氧,而单线态氧作为胁迫信号分子,能够被单线态氧感受器EX1蛋白感知,触发叶绿体到细胞核的逆行信号通路。这个通路恰恰是引发细胞程序性死亡的主要诱因。
 
        本论文第一作者为植物逆境中心博士研究生吕瑞清和李子豪。Chanhong Kim研究员和Keunpyo Lee博士为本文共同通讯作者。该研究受到了中科院百人计划、中国自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的资助。
 

图:积累的水杨酸诱导SIB1的表达。SIB1蛋白共同定位于叶绿体和细胞核,在叶绿体中,引起光合作用相关基因表达下调;在细胞核中引起光合作用相关基因表达上调。细胞核和叶绿体基因的差异表达,最终引起光系统过量积累单线态氧,触发EX1介导的叶绿体到细胞核的逆行信号,导致细胞程序性死亡。