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科研进展

植物逆境中心Rosa Lozano-Duran课题组揭示植物中连接细胞膜和叶绿体的抗病信号途径

2020-08-25

        2020年8月24日,国际知名学术期刊Cell在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心,分子植物科学卓越创新中心Rosa Lozano-Duran课题组题为“A defence pathway linking plasma membrane and chloroplasts and co-opted by pathogens”的研究论文。文章揭示了植物中存在一条连接细胞膜和叶绿体的重要抗病信号途径,感知病原体威胁,从而诱导植物免疫防御开启。
 
        植物在长期进化过程中已形成一系列复杂且巧妙的机制来感知来自病原体的威胁,并产生了相应的防御反应,从而阻止或消除病原体的入侵。这个过程不仅包含对威胁的识别,更需要在空间上传递识别到的信号并协调各种响应。对信号的识别和响应发生在植物细胞层面,植物细胞通过细胞膜识别特定的分子以感知潜在攻击者的存在并发出“警报”,然后将信号传递到细胞内部包括叶绿体在内的不同细胞区室,最终到达细胞核以调节植物抗病基因表达。尽管对于植物的生存至关重要,但这种“警报”信息如何在细胞内传递,科学家们尚未完全了解。
 
        该研究发现一些植物蛋白具有细胞膜和叶绿体双重定位。正常情况下,植物蛋白定位于细胞膜,但是当有病原体存在时,它们可以从细胞膜移动至叶绿体内部,帮助叶绿体感知威胁信号。紧接着,叶绿体通过“逆行信号传递”将这些信息传递至细胞核,从而调节抗病基因表达,激活防御以对抗入侵者。该途径是植物细胞将危险信号从外界传递到叶绿体的策略之一,能快速、及时、准确地整合信号并产生适当的下游响应。
 
        研究还发现,植物病原体及其宿主长期处于类似于“军备竞赛”的共同进化中。一些来自植物病毒和病原细菌的蛋白质可以巧妙地“模仿”上述植物蛋白,“劫持”这种信息的传递途径。它们同样与细胞膜结合,当植物细胞感受到攻击时,又能移动至叶绿体。而一旦进入叶绿体,这些病原体蛋白则会损害叶绿体与细胞核之间的通讯,阻碍植物防御反应的激活,帮助病原体的生存和繁殖。不同类别的病原体已进化出相似的策略来利用这种途径,达到抑制植物防御的目的。这一发现有力证明了这条连接细胞膜和叶绿体的信号传递途径在植物与微生物相互作用中起着核心作用。
 
        植物病原体在全球范围内对农作物生产造成了巨大损失,严重威胁全球粮食安全。这种新途径的发现为设计植物保护策略和开发新的抗病品种提供了新思路。该工作还表明,在没有病原体存在的情况下,可以增加植物对病原体的防御能力而不影响其生产力,从而可能达到改善植物健康和不影响植物生长的双重目的。
 
        博士后Laura Medina-Puche为该论文第一作者,Rosa Lozano-Duran研究员为该论文通讯作者。该研究受到国家自然科学基金和上海市引智计划的资助。