两篇Science鉴定出增强植物免疫反应的小信使分子

在两项新的研究中，来自中国清华大学和郑州大学、德国马克斯-普朗克植物育种研究所和科隆大学的研究人员发现了驱动至关重要的植物免疫反应的天然细胞分子。这些化合物具有植物为关键防御控制中心量身定做的小信使分子的所有特征。利用这些新见解，科学家们可能会设计出一些分子，使植物（包括许多重要的作物品种）对疾病的抵抗力更强。

相关研究结果于2022年7月7日在线发表在Science期刊上，论文标题为分别为“TIR-catalyzed ADP-ribosylation reactions produce signaling molecules for plant immunity”和“Identification and receptor mechanism of TIR-catalyzed small molecules in plant immunity”。

到2050年，世界粮食产量必须翻番，以养活预计届时生活在地球上的额外20亿人。提高粮食产量需要增加我们许多主食作物的产量。要做到这一点，需要制定战略，以确保我们能够使植物对微小的传染病原体有更强的抵抗力，同时也确保粮食生产对环境的安全。反过来，实现这一目标需要详细了解植物免疫系统---植物在面对入侵的微生物时采取的防御措施。

如今，在这两项新的研究中，这些作者确定了两类分子，并确定了它们在介导植物细胞内的免疫反应方面的作用方式。他们的发现为设计生物活性小分子铺平了道路，这些小分子可以让科学家们和植物种植者操纵植物，从而提高植物对有害微生物的抵抗力。

在分子水平上，植物采用的一个主要的免疫策略涉及到NLR（nucleotide-binding leucine-rich repeat receptor）蛋白。NLR被入侵的微生物激活并启动保护性免疫反应。这些免疫反应在所谓的超敏反应中达到顶峰，这种超敏反应涉及限制病原体的生长和通常严格地对感染部位的细胞死亡进行划分界限---类似于截断脚趾以确保身体的生存。

一类NLR蛋白，即那些具有所谓的TIR（toll/interleukin-1 receptor）结构域的蛋白，被称为TIR-NLR，已被证明可以向下游的免疫蛋白EDS1（Enhanced Disease Susceptibility 1）传递信号。较小的含有TIR的蛋白也向EDS1提供信号以增强疾病抵抗力。EDS1作为一个控制中心，根据它与其他蛋白的互动类型，推动植物细胞限制病原体的生长或致力于细胞死亡。早期的研究已表明，TIR-NLR受体和TIR蛋白实际上是病原体诱导的酶。已有证据表明，这些TIR酶产生一个或多个小信使分子，向细胞内的EDS1发出信号。然而，由TIR-NLR或TIR产生的刺激不同免疫反应的精确分子的身份仍然难以确定。

这些作者确定，导致免疫反应或细胞死亡的两个EDS1功能模块可以由植物细胞内病原体激活的TNL酶触发。为了确定由TIR-NLR或TIR产生并作用于EDS1的小分子，他们在昆虫细胞中重组了这一信号通路的关键组分，其中昆虫细胞允许产生和纯化大量的分子，然后可以对它们进行分离和表征。利用这种方法，它们发现了由TIR-NLR和TIR产生的两类不同的改性核苷酸分子。这两类小分子化合物优先结合和激活不同的EDS1亚复合物。因此，他们证实，不同的EDS1亚复合物识别由TIR产生的特定分子，这些分子作为信息携带的化学物，促进免疫反应。

这些TIR免疫受体和EDS1枢纽蛋白存在于许多重要的作物物种中，如水稻和小麦，这些作者指出，“所确定的由TIR催化产生的小分子可以作为一般的天然免疫刺激剂来控制作物疾病。了解这些小分子的生化作用模式为植物免疫信号和疾病管理开启了一个全新的篇章。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Aolin Jia et al. TIR-catalyzed ADP-ribosylation reactions produce signaling molecules for plant immunity. Science, 2022, doi: 10.1126/science.abq8180.

Shijia Huang et al. Identification and receptor mechanism of TIR-catalyzed small molecules in plant immunity. Science, 2022, doi:10.1126/science.abq3297.