Cell重磅！|揭示植物快速傳遞「警報「」信息的重要信號途徑

2020年8月24日晚23時，Cell 雜誌在線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課題組題為「Adefence pathway linking plasma membrane and chloroplasts and co-opted bypathogens」的研究論文。文章揭示了植物中存在一條連接細胞膜和葉綠體的重要抗病信號途徑，感知病原體威脅，從而誘導植物免疫防禦開啟。

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，並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信號並協調各種響應。對信號的識別和響應發生在植物細胞層面，植物細胞通過細胞膜識別特定的分子以感知潛在攻擊者的存在並發出「警報」，然後將信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」信息如何在細胞內傳遞，科學家們尚未完全了解。

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信號。緊接著，葉綠體通過「逆行信號傳遞」將這些信息傳遞至細胞核，從而調節抗病基因表達，激活防禦以對抗入侵者。該途徑是植物細胞將危險信號從外界傳遞到葉綠體的策略之一，能快速、及時、準確地整合信號並產生適當的下遊響應。

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」這種信息的傳遞途徑。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激活，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接細胞膜和葉綠體的信號傳遞途徑在植物與微生物相互作用中起著核心作用。

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。
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。