植物抗爭之路：從細胞膜到葉綠體 科學家在植物抗病訊號途徑方面取得重大發現

03：11

2020年8月24日，國際知名學術期刊

Cell

線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心

Rosa Lozano-Duran

研究組題為“

A defence pathway linking plasma membrane and chloroplasts and co-opted by pathogens

”的研究論文。文章揭示了植物中存在一條連線細胞膜和葉綠體的重要抗病訊號途徑，感知病原體威脅，從而誘導植物免疫防禦開啟。

專業解讀

植物在長期進化過程中已形成一系列複雜且巧妙的機制來感知來自病原體的威脅，併產生了相應的防禦反應，從而阻止或消除病原體的入侵。這個過程不僅包含對威脅的識別，更需要在空間上傳遞識別到的訊號並協調各種響應。對訊號的識別和響應發生在植物細胞層面，植物細胞透過細胞膜識別特定的分子以感知潛在攻擊者的存在併發出“警報”，然後將訊號傳遞到細胞內部包括葉綠體在內的不同細胞區室，最終到達細胞核以調節植物抗病基因表達。儘管對於植物的生存至關重要，但這種“警報”資訊如何在細胞內傳遞，科學家們尚未完全瞭解。

該研究發現一些植物蛋白具有細胞膜和葉綠體雙重定位。正常情況下，植物蛋白定位於細胞膜，但是當有病原體存在時，它們可以從細胞膜移動至葉綠體內部，幫助葉綠體感知威脅訊號。緊接著，葉綠體透過“逆行訊號傳遞”將這些資訊傳遞至細胞核，從而調節抗病基因表達，啟用防禦以對抗入侵者。該途徑是植物細胞將危險訊號從外界傳遞到葉綠體的策略之一，能快速、及時、準確地整合訊號併產生適當的下游響應。

植物細胞膜（綠色）與葉綠體（橙色）相聯絡，圖中背景的亮點代表兩者之間傳遞的資訊。

藝術設計者：Toyi Matos（插畫家）

研究還發現，植物病原體及其宿主長期處於類似於“軍備競賽”的共同進化中。一些來自植物病毒和病原細菌的蛋白質可以巧妙地“模仿”上述植物蛋白，“劫持”這種資訊的傳遞途徑。它們同樣與細胞膜結合，當植物細胞感受到攻擊時，又能移動至葉綠體。而一旦進入葉綠體，這些病原體蛋白則會損害葉綠體與細胞核之間的通訊，阻礙植物防禦反應的啟用，幫助病原體的生存和繁殖。不同類別的病原體已進化出相似的策略來利用這種途徑，達到抑制植物防禦的目的。這一發現有力證明了這條連線細胞膜和葉綠體的訊號傳遞途徑在植物與微生物相互作用中起著核心作用。

病毒和細菌的效應蛋白挾持植物中一條細胞膜到葉綠體的抗病訊號途徑以抑制植物免疫

植物病原體在全球範圍內對農作物生產造成了巨大損失，嚴重威脅全球糧食安全。這種新途徑的發現為設計植物保護策略和開發新的抗病品種提供了新思路。該工作還表明，在沒有病原體存在的情況下，可以增加植物對病原體的防禦能力而不影響其生產力，從而可能達到改善植物健康和不影響植物生長的雙重目的。

Rosa 研究員

博士後Laura Medina-Puche為該論文第一作者，Rosa Lozano-Duran研究員為該論文通訊作者。該研究受到國家自然科學基金和上海市引智計劃的資助。

科普解讀

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