植物抗病基因(R)与病原物无毒基因(Avr)相互作用机制的研究进展

PTI和ETI是植物在长期进化过程中形成的两类抵抗病原物的机制。基因对基因假说的抗病方式属于ETI抗性机制的一种,该假说认为具有保守NB-LRR结构域的R蛋白识别病原物非保守的无毒蛋白效应子(Avr),激活防卫反应信号途径,导致过敏性坏死。植物抗病基因(R)与病原菌无毒基因(Avr)产物间的直接或间接相互作用而产生的基因对基因抗性是植物抗病性的重要形式,该文对植物抗病蛋白与无毒蛋白相互作用机制进行了综述。其中,间接相互作用模式是主要方式。     

两类免疫受体强强联手筑牢植物免疫防线

植物先天免疫系统在抵御病原菌入侵过程中发挥至关重要的作用, 主要包括两个层次, 即病原菌相关分子模式和效应因子分别触发的PTI和ETI免疫反应。PTI和ETI分别由植物细胞膜表面模式识别受体(PRRs)和胞内免疫受体(NLRs)激活, 具有特异的激活机制, 但是两者激活的下游免疫事件相互重叠。PTI和ETI是否为泾渭分明的两道防线, 以及ETI与PTI下游事件为何如此相似, 一直是植物免疫领域最受关注的问题之一。最近, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳团队与合作者利用拟南芥(Arabidopsis thaliana)与丁香假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)互作系统对PTI和ETI在机制上的联系进行了研究。他们发现PRRs和共受体参与ETI, 而活性氧的产生是联系PRRs和NLRs所介导的免疫早期信号事件。他们还发现NLRs信号能够迅速增强PTI关键因子的转录和蛋白水平, PTI的增强在ETI免疫反应中不可或缺。该研究从机制上解析了植物免疫领域中长期悬而未决的PTI与ETI相似性之谜, 是该领域的一项突破性进展, 为未来作物分子设计育种提供了新的启示。     

病原菌保守性特征分子及其介导的植物抗病性

每种病原菌都有一些保守的特征性分子,也称病原菌相关分子模式(PAMPs)。植物细胞表面的模式识别受体PRRs通过识别病原菌的PAMPs而激发免疫反应(PTI)。目前,已发现多种PRRs/PAMPs的识别模式,如拟南芥FLS2识别细菌鞭毛蛋白、拟南芥EFR识别细菌延长因子Tu(EF-Tu)、水稻CEBiP/CERK1识别真菌几丁质、水稻抗病蛋白XA21识别白叶枯病菌的硫化蛋白Ax21等。这些识别模式都能激发植物的基础免疫反应以抵抗病原菌的侵染。但是病原菌为了成功侵染寄主植物,也进化出一些致病机制,例如向植物细胞中注入毒性效应蛋白阻断PTI途径,或者产生一种"自我伪装"机制以逃避PRRs的识别。因此,研究者们根据PAMPs的结构特性对PRRs重新改造,以期使植物获得持久、广谱和高效的抗性。综述目前已知的PAMPs分子类型、PRRs/PAMPs的识别机制及改造后的新型PRRs,并分析PTI研究中存在的问题及其发展前景。     

参与植物天然免疫的LRR型蛋白

植物含有多种富含亮氨酸重复序列(LRRs)结构的蛋白质,它们在植物天然免疫中发挥着重要作用。参与植物防御反应的LRR型蛋白家族包括:类受体蛋白激酶、抗病基因编码蛋白质、多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白和伸展蛋白家族。最近,人们发现植物免疫系统包含:病原相关分子模式(PAMP)激发的免疫性(PTI),即类受体蛋白激酶识别病原菌PAMPs,启动植物防卫反应;病原菌效应子激发的免疫性(ETI),即抗病基因编码蛋白质识别效应子,启动植物防卫反应。除此之外,细胞壁是植物细胞的天然保护屏障。多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白和伸展蛋白通过维护细胞壁,抵御病原菌入侵。我们综述了植物中LRRs蛋白的结构特征与不同种类的LRR蛋白介导免疫反应的分子机制,讨论了LRR型蛋白在植物免疫过程中的意义及存在的问题,指出搜寻配体和下游信号分子将是LRR型蛋白研究热点。     

水稻免疫机制研究进展

植物先天免疫主要由两部分组成：一类是通过细胞膜上的病原菌分子模式识别受体识别病原微生物表面存在的分子特征激发的免疫反应（PTI）;另一类是专化性的抗病R蛋白识别病原微生物的效应蛋白,从而激发下游的病原菌小种特异性的防卫反应过程（ETI）．随着水稻抗病信号途径中越来越多的抗病基因以及关键的调控基因被克隆和功能鉴定,同时多种水稻病原菌效应蛋白的发现,水稻抗病机理的研究也越来越深入．本文阐述了水稻的PTI,ETI及其下游参与免疫信号转导的关键性组分,从而形成一个初步的水稻免疫调控网络．     

植物抗病分子机制研究进展

近十年来,植物抗病分子机制研究取得显著进展.综述了植物抗病基因的克隆及其结构分析、病原菌无毒基因及其相关致病因子的克隆与研究、信号传导相关因子的克隆及其结构分析以及植物-病原菌的相互作用研究,重点介绍了以植物特异抗病基因为介导的诱导防卫作用机制(包括抗病基因编码毒素蛋白,进而抑制病原菌的繁殖;显性基因编码病原菌致病性的靶标物;抗病基因表达产物直接引发抗病反应和基因对基因的抗病作用机制等)的研究进展,以期为植物抗病育种提供有益的信息.     

植物抗病分子机制研究进展

近十年来,植物抗病分子机制研究取得显著进展。综述了植物抗病基因的克隆及其结构分析、病原菌无毒基因及其相关致病因子的克隆与研究、信号传导相关因子的克隆及其结构分析以及植物-病原菌的相互作用研究,重点介绍了以植物特异抗病基因为介导的诱导防卫作用机制(包括抗病基因编码毒素蛋白,进而抑制病原菌的繁殖;显性基因编码病原菌致病性的靶标物;抗病基因表达产物直接引发抗病反应和基因对基因的抗病作用机制等)的研究进展,以期为植物抗病育种提供有益的信息。     

植物与病原微生物互作分子基础的研究进展

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。第一个层面的免疫基于细胞表面的模式识别受体对病原物相关分子模式的识别,该免疫过程被称为病原物相关分子模式触发的免疫(PAMP-triggered immunity,PTI),能帮助植物抵抗大部分病原微生物;第二个层面的免疫起始于细胞内部,主要依靠抗病基因编码的蛋白产物直接或间接识别病原微生物分泌的效应子并且激发防卫反应,来抵抗那些能够利用效应子抑制第一层面免疫的病原微生物,这一过程被称为效应子触发的免疫(Effector-triggered immunity,ETI)。这两个层面的免疫都是基于植物对"自我"及"非我"的识别,依靠MAPK级联等信号网络,将识别结果传递到细胞核内,调控相应基因的表达,做出适当的免疫应答。本文着重阐述了植物与病原微生物互作过程中不同层面的免疫反应所发生主要事件的分子基础及研究进展。     

植物抗病基因结构、功能及其进化机制研究进展

植物与病原菌在长期的共进化和相互选择的过程中,逐渐形成了组织障碍、非寄主抗性和小种专化抗性等有效的防御机制。小种专化抗性(基因对基因抗性)主要是由植物抗病基因识别相应的病原菌无毒基因并激活植物体内抗病信号进而抵御病原菌的侵染。从目前已克隆的 70 多个抗病基因来看,它们在结构上具有高度保守性,主要包括核苷酸结合位点(NBS),亮氨酸重复结构(LRR), 蛋白激酶结构域(PK), 果蝇蛋白 Toll 和哺乳动物蛋白质白细胞介素 1 受体[interleukin(IL)-1 receptor]类似结构域(TIR), 双螺旋结构(CC)或亮氨酸拉链(LZ)和跨膜结构域(TM)等,其在抗病基因与病原菌无毒(效应)蛋白互作以及植物内部免疫信号传导中起着重要的作用。同时,抗病基因又通过基因复制、遗传重组等进化机制形成多基因家族,为植物抗病的专化性和多样性提供了重要的遗传基础。本文主要讨论了近来已克隆抗病基因的结构特征、功能以及抗病基因进化机制研究的进展。     

蚜虫诱导的植物免疫反应

在植物与昆虫长期的互作过程中,植物建立起一系列精密而又复杂的防御机制以应对昆虫取食为害,并且能够识别不同取食类型昆虫的效应因子作出不同的防御应答。最近研究揭示了许多植物与蚜虫之间相互抗争的分子机制,这不仅包括植物激素介导的诱导防御途径、植物先天免疫系统和基于gene-for-gene的R抗性识别和作用机制,而且还包括蚜虫在取食过程中分泌的唾液成分,它有助于蚜虫取食韧皮部组织,抑制植物病原相关分子模式激活的免疫反应(Pathogen-associated molecular patterns triggered immunity,PTI)防御,以及被植物核苷酸结合位点区-亮氨酸重复序列区(NBS-LRR)膜受体识别激活效应因子免疫反应(ETI)防御等方面。本文综述了蚜虫诱导的植物防御途径、蚜虫诱导的植物免疫反应、蚜虫效应因子的鉴定与功能分析三方面的最近研究进展,提出了未来发展的研究方向。这些基于病原微生物提出的"zig-zag"模型为进一步理解植物先天免疫、诱导防御系统和蚜虫唾液腺组分的互作提供新理论支撑,为揭示了植物与蚜虫抗性互作的分子机制及有效安全地防治害虫提供了新思路。     

Plant immunity: Evolutionary insights from PBS1, Pto and RIN4

Two layers of plant immune systems are used by plants to defend against phytopathogens. The first layer is pathogen-associate molecular patterns (PAMPs)-triggered immunity (PTI), which is activated by plant cell-surface pattern recognition receptors (PRRs) upon perception of microbe general elicitors. The second layer is effector-triggered immunity (ETI), which is initiated by specific recognition of pathogen type III secreted effectors (T3SEs) with plant intracellular resistance (R) proteins. Current opinions agree that ETI was evolved from PTI, and the impetus for the evolution of plant immunity is pathogen T3SEs, which exhibit virulence functions through blocking PTI, but show avirulence functions for triggering ETI. A decoy model was put forward and explained that the avirulence targets of pathogen T3SEs were evolved as decoys to compete with the virulence targets for binding with pathogen T3SEs. However, little direct evidence for the evolutionary mode has been offered. Here we reviewed the recent progresses about Pto, PBS1 and RIN4 to present our viewpoints about the evolution of plant immunity.Key words: plant immunity, evolution, Pto, PBS1, RIN4     

Physical association of pattern-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI) immune receptors in Arabidopsis

Plants possess two distinct types of immune receptor. The first type, pattern recognition receptors (PRRs), recognizes microbe-associated molecular patterns (MAMPs) and initiates pattern-triggered immunity (PTI) on recognition. FLS2 is a PRR, which recognizes a part of bacterial flagellin. The second type, resistance (R) proteins, recognizes pathogen effectors and initiates effector-triggered immunity (ETI) on recognition. RPM1, RPS2 and RPS5 are R proteins. Here, we provide evidence that FLS2 is physically associated with all three R proteins. Our findings suggest that signalling interactions occur between PTI and ETI at very early stages and/or that FLS2 forms a PTI signalling complex, some components of which are guarded by R proteins.     

Recent advances in plant immunity: recognition, signaling, response, and evolution

Innate immune system is employed by plants to defend against phytopathogenic microbes through specific perception of non-self molecules and subsequent initiation of resistance responses. Current researches elucidate that plants mostly rely on cell surface-located pattern recognition receptors (PRRs) and intracellular nucleotide-binding leucine-rich repeat proteins (NB-LRRs) to recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and effector proteins from microbial pathogens, initiating PAMP- and effector-triggered immunity (PTI and ETI), respectively. Some pathogenic bacterial effector proteins are usually secreted into plant cells and play a virulence function by suppressing plant PTI, implying an evolutionary process of plant immunity from PTI to ETI. In the past several years, a great progress has been achieved to reveal fascinating molecular mechanisms underlying the pathogenic recognition, resistance signaling transduction, and plant immunity evolution. Here, we summarized the latest breakthroughs about these topics, and offered an integral understanding of plant molecular immunity.     

Toward understanding of rice innate immunity against Magnaporthe oryzae

The blast fungus, Magnaporthe oryzae, causes serious disease on a wide variety of grasses including rice, wheat and barley. The recognition of pathogens is an amazing ability of plants including strategies for displacing virulence effectors through the adaption of both conserved and variable pathogen elicitors. The pathogen-associated molecular pattern (PAMP)-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI) were reported as two main innate immune responses in plants, where PTI gives basal resistance and ETI confers durable resistance. The PTI consists of extracellular surface receptors that are able to recognize PAMPs. PAMPs detect microbial features such as fungal chitin that complete a vital function during the organism’s life. In contrast, ETI is mediated by intracellular receptor molecules containing nucleotide-binding (NB) and leucine rich repeat (LRR) domains that specifically recognize effector proteins produced by the pathogen. To enhance crop resistance, understanding the host resistance mechanisms against pathogen infection strategies and having a deeper knowledge of innate immunity system are essential. This review summarizes the recent advances on the molecular mechanism of innate immunity systems of rice against M. oryzae. The discussion will be centered on the latest success reported in plant–pathogen interactions and integrated defense responses in rice.     

植物与病原菌互作的分子机制研究进展

植物的先天免疫主要包括模式识别受体对保守的微生物病原相关分子模式的识别和抗病蛋白对效应蛋白的识别。植物与病原体互作过程中存在广泛的信号交流,信号分子在植物与病原体的互作攻防中发挥了重要的调控作用,决定了二者的竞争关系。当前,大量植物与病原体互作中的信号分子被定位和克隆,其作用方式被揭示。本文总结了这些信号分子及其在植物免疫过程中的作用机制,主要包括植物细胞表面的模式识别受体分子对病原相关分子模式的识别与应答,植物抗病蛋白对病原体效应蛋白的识别与应答,以及免疫反应下游相关信号分子及其在植物抗病中的作用。此外,本文对未来相关研究提出了展望。     

植物与病原微生物互作分子基础的研究进展

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。第一个层面的免疫基于细胞表面的模式识别受体对病原物相关分子模式的识别, 该免疫过程被称为病原物相关分子模式触发的免疫(PAMP-triggered immunity, PTI), 能帮助植物抵抗大部分病原微生物; 第二个层面的免疫起始于细胞内部, 主要依靠抗病基因编码的蛋白产物直接或间接识别病原微生物分泌的效应子并且激发防卫反应, 来抵抗那些能够利用效应子抑制第一层面免疫的病原微生物, 这一过程被称为效应子触发的免疫(Effector-triggered immunity, ETI)。这两个层面的免疫都是基于植物对“自我”及“非我”的识别, 依靠MAPK级联等信号网络, 将识别结果传递到细胞核内, 调控相应基因的表达, 做出适当的免疫应答。本文着重阐述了植物与病原微生物互作过程中不同层面的免疫反应所发生主要事件的分子基础及研究进展。