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微生物所劉俊研究組揭示植物識別病原細菌的新機制

作者: 發布時間:2020.01.13 文章來源:

    假單胞菌屬是一類非常重要的細菌病害,該屬內的銅綠假單胞菌作為機會致病菌,可以侵染動物和人。而侵染植物的丁香假單胞菌位列十大植物病原細菌之首,可以侵染番茄等作物,造成嚴重的經濟損失。2020110日,著名期刊The EMBO Journal 在線發表了劉俊課題組最新研究成果,題為“Tyrosine phosphorylation of the lectin receptor-like kinase LORE regulates plant immunity”的研究論文。該研究揭示了植物細胞膜上的免疫受體識別病原細菌攜帶的中等鏈長度的3-羥基脂肪酸的免疫通路,而中等鏈長的3-羥基脂肪酸是合成脂多糖(LPS)的重要成分。 

   

    脂多糖(LPS)是革蘭氏陰性細菌細胞外膜的一個重要組成部分。在臨床上,LPS是激發人體免疫、導致熱休克的主要物質。1998年,美國西南醫學中心的Bruce Beutler發現了哺乳動物LPS的受體(1),并因此獲得了2011諾貝爾生理或醫學獎。盡管很多研究也證實LPS可以在植物中激發免疫響應,但是其受體及激發植物免疫反應的機制一直不清楚。Ranf等人近期報道了植物細胞膜上的一個凝集素受體似激酶LORE可以識別LPS合成過程中游離態的中等碳鏈長度的3-羥基脂肪酸,其中10個碳的3-OH-C10:0可以顯著激活LORE介導的植物防御反應(2,3)。 

   

    劉俊課題組的研究顯示,通過激酶抑制劑實驗,證明了凝集素受體激酶LORE是個雙特異性激酶,具有具備絲/蘇氨酸和酪氨酸激酶活性。進一步通過體外磷酸化和蛋白質譜,鑒定到了一個關鍵的自磷酸化位點Y600F,該位點的突變降低了LORE的自磷酸化活性(圖1A)。遺傳學回補實驗顯示,Y600位點突變使得植物喪失了對病原細菌產生的3-OH-C10:0的識別(圖1B)。為了進一步解析LORE啟動免疫反應的機制,通過免疫沉淀和質譜技術,鑒定到了LORE的互作蛋白PBL34。PBL34屬于受體類胞質激酶,且它有兩個同源蛋白PBL35PBL36。pbl34/35/36三重突變體表現出對3-OH-C10:0的敏感性降低的表型(圖1C)。體外生化試驗證明,LORE可以直接磷酸化PBL34并且激活它(圖1D),且這一磷酸化依賴于LORE磷酸化位點Y600(圖1E)。有意思的是,丁香假單胞菌分泌的效應蛋白HopAO1可以抑制3-OH-C10:0誘導的ROS迸發(圖1F)。體外和體內生化試驗證明,HopAO1作為磷酸酶可以直接去除Y600的磷酸化,從而抑制了LORE的激活和其對下游PBLs的激活(圖2)。這些研究結果揭示了植物通過細胞膜上的受體感知病原細菌來源的小分子代謝物3-羥基脂肪酸,啟動下游免疫反應的分子機制。這類中鏈脂肪酸可以作為誘導植物抗性的化學物質,具有潛在的應用前景。 

 

  1. LORE的磷酸化以及下游胞內類受體激酶介導了植物免疫響應

   

       AY600突變降低了LORE的激酶活性;B. Y600突變降低了植物對3-OH-C10:0的敏感性;C . PBLs三重突變體對3-OH-C10:0的敏感性降低;D. LORE在體外磷酸化PBL34;E. LOREPBL34磷酸化部分依賴于Y600;F. 效應蛋白HopAO1抑制植物ROS迸發。 

   

      劉俊課題組長期致力于研究植物抵御病原細菌和真菌的分子機制。以擬南芥和丁香假單胞菌、水稻和稻瘟菌為研究系統,發現凝集素類受體激酶可以通過鈣依賴蛋白激酶,激活活性氧-水楊酸通路,使得植物獲得系統抗性(Xu et al., MPMI, 2017;Luo et al., Plant Physiology,2017)。在水稻和稻瘟菌互作研究方面,首次利用細胞膜蛋白質組學方法,系統性地鑒定了水稻細胞膜上響應稻瘟菌侵染的蛋白(Cao et al., MPMI, 2016)。同時也發現乙烯信號通路正調控水稻對稻瘟菌抗病性的作用機理(Yang et al., Plant Journal,2017),并揭示了稻瘟菌激發的水稻胞外免疫機制(Yang et al., The Plant Cell, 2018)。 

 

  2.植物識別病菌攜帶的脂肪酸的分子機制以及病菌的應對策略 

   

      植物受體LORE感受病菌攜帶的中等鏈長度的3-羥基脂肪酸,引起LORE酪氨酸Y600位點磷酸化;磷酸化的LORE進一步轉移磷酸化胞內受體似激酶,如PBL34,從而進一步激活免疫響應。但是,病菌可以分泌蛋白HopAO1去除LOREY600的磷酸化,抑制免疫反應。 

   

      劉俊課題組的博士生士生羅旭明、梁穎博和福建農林大學博士生吳薇為論文的共同第一作者,劉俊研究員為論文通訊作者。該項目得到了國家重點研發計劃、中科院先導專項(B類)和國家自然科學基金等項目的資助。 

   

      原文鏈接:https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2019102856 

   

      參考文獻: 

      1. Poltorak, A, et al (1998). Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: mutations in Tlr4 gene. Science 282: 2085-2088. 

      2. Ranf S, et al (2015) A lectin S-domain receptor kinase mediates lipopolysaccharide sensing in Arabidopsis thaliana. Nat Immunol 16: 426-433. 

      3. Kutschera A, et al (2019) Bacterial medium-chain 3-hydroxy fatty acid metabolites trigger immunity in Arabidopsis plants. Science 364: 178-181. 

 

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