植物免疫信号通路中从受体蛋白到免疫开关分子的转导机制

新技术 2018年12月13日
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国际权威学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)于12月4日在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心河野洋治课题组完成的题为 “Resistance protein Pit interacts with the GEF OsSPK1 to activate OsRac1 and trigger rice immunity”的研究论文。该研究揭示了水稻鸟苷酸交换因子(GEF)OsSPK1受抗性蛋白Pit的调控,直接激活下游小G蛋白OsRac1,实现正调控水稻免疫的机制。

目前,全球人口快速增长,许多国家尤其是发展中国家正面临着严重的粮食危机。导致粮食严重减产的毁灭性病害包括水稻的稻瘟病、马铃薯瘟疫病以及白菜根病等,其中水稻作为全球重要的粮食作物,其病害对人类的影响更加严重。因此,提高水稻的抗病性是一项迫在眉睫的研究任务。

包含核苷酸结合域和富含亮氨酸重复序列(NLR)的抗性蛋白(R)家族作为重要的免疫受体(感受器),在动植物中均可诱导产生强烈的免疫反应。尽管自第一个R基因被报道以来已有近30年,但R蛋白激活的免疫分子机制在很大程度上仍是未知的,特别是R蛋白的直接下游信号分子仍不清楚。

河野洋治博士于2010年发表于《Cell Host and Microbe》杂志的文章中介绍了水稻小G蛋白OsRac1作为一种分子开关蛋白,在抗性蛋白Pit的下游发挥功能,并在抵御阶段引起植物的典型免疫反应,如活性氧(ROS)的产生和局部细胞死亡等。此次的研究进一步发现了一种水稻鸟苷酸交换因子(GEF)蛋白OsSPK1为抗性蛋白Pit直接调控的下游靶分子。同时OsSPK1 具有促进小G蛋白GDP/GTP 交换的能力,可直接激活小G蛋白OsRac1,从而进一步激活水稻免疫反应,实现对稻瘟病菌的抵抗。

用稻瘟病菌处理OsSPK1 knockdown 植株,水稻表现出明显的感病症状,表明OsSPK1 正调控Pit介导的水稻免疫反应。此外,河野洋治课题组研究发现OsSPK1 正调控另一个水稻R蛋白RGA4介导的免疫反应。

使用OsSPK1 knockdown 植株进行的水稻稻瘟病感染实验

图 使用OsSPK1 knockdown 植株进行的水稻稻瘟病感染实验

论文指出“R蛋白-OsSPK1-OsRac1”组成的分子模块可能在植物抗性蛋白所介导的免疫反应中以相似的机制发挥免疫功能。该研究首次解释了R蛋白如何通过其直接调控下游靶分子触发产生ROS和让局部细胞死亡等免疫反应,为更加完善地了解植物免疫的分子机制提供了新的证据。

当水稻抗性蛋白Pit或者RGA4 感应到稻瘟病菌入侵细胞,可通过激活下游OsSPK1来进一步激活免疫分子开关OsRac1,从而实现对稻瘟病菌的抵御

图:当水稻抗性蛋白Pit或者RGA4 感应到稻瘟病菌入侵细胞,可通过激活下游OsSPK1来进一步激活免疫分子开关OsRac1,从而实现对稻瘟病菌的抵御。

本论文第一作者为植物逆境中心博士研究生王琼和李玉营,通讯作者为河野洋治博士。该研究获得了中国科学院、中科院先导项目B、中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金、JSPS KAKENHI、the Takeda Science Foundation的资助。

河野洋治研究室的成员合影

河野洋治研究室的成员合影

研究风景

研究风景

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供稿 河野洋治,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心
编辑修改 JST 客观日本编辑部

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