從細胞膜到葉綠體 科學家在植物抗病信號途徑方面取得重大發現

央廣網上海8月25日消息（記者吳善陽）植物是地球上幾乎所有生命的基礎，它們通過光合作用將太陽能轉化為化學能，並產生我們賴以生存的氧氣。植物與人類的衣食住行也有著千絲萬縷的聯繫。植物也需要面對來自周圍的各種威脅，會受到包括植物病原體（例如病毒和細菌）的攻擊，使植物生病甚至死亡。

在長期進化過程中，植物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。這個過程不僅包含簡單對威脅的識別，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。植物細胞表面有一層細胞膜，可以將細胞內部與外部環境相隔離，而細胞膜外側是潛在病原體接觸的重要場所。因而，植物需要通過細胞膜感知特定的分子以了解潛在攻擊者的存在，並發出「警報」。而這些「警報」必須傳遞到細胞內部，到達包括葉綠體在內的不同細胞區室。葉綠體為植物特有的，進行光合作用的細胞器，同時也在調節植物對刺激響應中起著核心作用。這些「警報」信號最終到達存儲遺傳物質的細胞核，調節植物抗病基因表達 。儘管對於植物的生存至關重要，但迄今為止，這種「警報」信息如何在細胞內傳遞尚不完全清楚。

2020年8月24日，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外籍科學家羅莎·洛薩諾·杜蘭研究團隊在國際著名學術期刊《細胞》上發表論文，揭示了一條連接細胞膜和葉綠體的重要信號傳遞途徑。文章報導了一些植物蛋白如何與細胞膜相關聯，並在感知病原體存在時，它們又如何從細胞膜轉移至葉綠體內部，「警告」葉綠體有威脅存在。緊接著，葉綠體通過「逆行信號傳遞」過程，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，並能快速、及時、準確地整合信號並產生適當的下遊響應。

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。有趣的是，這項工作還發現，病原體可以劫持這種在植物細胞內部傳遞信息的途徑。一些來自植物病毒和病原細菌的蛋白質可以巧妙地「模仿」上述植物蛋白質的行為。它們能與細胞膜結合，當植物細胞感受到攻擊時，也可以移動至葉綠體。一旦進入葉綠體內部，這些病原體蛋白會損害葉綠體與細胞核之間的通訊，從而阻礙植物防禦反應的激活，而幫助病原體的生存和繁殖。這項工作發現不同類別的病原體進化出相似的策略來利用這種植物途徑，達到抑制植物防禦的目的，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。

真菌、細菌、病毒等多種植物病原體在全球範圍內對農作物生產造成了巨大損失，嚴重威脅世界糧食安全。這種新途徑的發現為設計的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。