2020年2月6日，瑞士洛桑大學Niko Geldner教授實驗室在Cell 雜誌上在線發表了題為Co-incidence of Damage and Microbial Patterns Controls Localized Immune Responses in Roots的研究論文（Niko Geldner團隊周峰博士為該論文的第一作者兼共同通訊作者）。該項研究對植物根系如何利用細胞損傷機制來調控自身免疫系統從而識別土壤中的「朋友」（有益細菌）和「敵人」（有害細菌）這一問題給出了答案。我們有幸邀請到中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民研究員對該工作進行了點評，以饗讀者！
專家點評
周儉民 研究員（中科院遺傳與發育生物學研究所）
植物利用免疫管控機制區分有害和有益微生物
眾所周知，植物生長的環境中存在大量微生物，其中既有無害或有益微生物，也有病原微生物。及時感應並抵禦病原微生物侵害，同時維繫與有益微生物的相互作用，是植物在自然環境中健康生存的前提條件，也是植物免疫和植物微生物組研究中的重大科學問題。人們知道，植物利用細胞表面形形色色的免疫受體，識別來自微生物的分子（微生物相關分子，英文縮寫MAMPs），激活一系列防衛反應，使其免受病原微生物的侵害。但是，有益微生物也普遍攜帶MAMPs。植物如何管控免疫系統，保障同有益微生物良性互作，一直以來是一個謎。
在最新的這項工作中，作者創造性的應用了新型報告系統，實現了對各個根細胞響應能力的精確檢測。他們發現，擬南芥成熟根組織細胞中的免疫受體表達極低。這些健康的根細胞並不能響應MAMPs，因此在同有益或無害微生物的互作時不會激活免疫反應。當根細胞受到損傷時，相鄰的根細胞開始表達免疫受體並迅速響應MAMPs，激活免疫反應。這一機制，巧妙地利用了病原微生物侵染對植物細胞帶來的損傷，精準的在感染點附近激活免疫。這些發現，第一次揭示了植物如何管控免疫受體，通過整合損傷和MAMP兩種不同信號，區分不同微生物的機制，對未來相關研究具有重要借鑑意義。
論文解讀
微生物種群如細菌、真菌、病毒等在我們的生活中無處不在。和動物一樣，植物長期受到這些微生物的侵襲。與此同時，植物也利用嚴格控制的免疫系統來實現自我保護。高效的免疫反應確保植物抵抗病原微生物的侵害，但另一方面，過度的免疫反應則會導致植物生長發育受阻。例如，植物根系長期被大量土壤微生物包圍，如何在這樣的環境中有效的區分「敵」（病原菌）、「我」（共生菌），精確控制生長發育和免疫防禦之間的動態平衡顯得尤為重要。
目前，大多數植物天然免疫機制的研究主要集中在植物地上部分組織，如葉片、莖稈、果實等，且檢測的手段多是離體的生理、生化分析方法，包括蛋白激酶的活性檢測，活性氧水平的測定，免疫響應基因的定量表達等。雖然這些檢測方法極大地豐富了我們對植物免疫反應機制的認知，但同時也存在其局限性，如檢測的精度只能停留在組織或器官層面、無法觀察特定細胞的免疫響應等。在該研究中，科研人員以易於顯微觀察的擬南芥根細胞為研究對象，結合新構建的免疫響應螢光標記（Fluorescent immune response markers）和高解析度雷射誘導的細胞消融（Cell ablation）技術，在單個細胞水平（Single cellular resolution）對天然免疫響應的時空變化進行了開創性的探索。
首先，研究人員利用不同類型的微生物相關的分子模式（Microbe-associated molecular patterns，MAMPs）來處理擬南芥並觀察免疫響應螢光標記基因，如FRK1、PER5、WRK11、MYB51等在根細胞中的時空表達模式。結果顯示，在大多數MAMP處理下，只有根分生區、伸長區等未成熟的細胞才會表現出穩定而強烈的免疫響應。奇怪的是，大部分根分化區和成熟區的細胞對這些處理是不敏感的，沒有出現顯著的應答反應。
但與此同時，他們發現在一些側根發生和細胞受損的根分化細胞區域，局部而特異的免疫響應往往能夠被穩定觀察到。因此，研究人員推測應該存在某些特定的刺激或條件才能讓這些已經分化的根細胞開啟免疫應答。緊接著，為了更精準的研究細胞損傷誘導的局部化的免疫響應，研究人員採用了雷射誘導的細胞消融技術。結果顯示，在根的分化區細胞損傷（Cell damage）和微生物分子模式（Microbial Patterns）「雙保險」的同時存在，嚴格把控著局部細胞間的天然免疫響應，兩者缺一不可。
其次，為了進一步探究「細胞損傷門控（Cell damage gating）」現象對局部免疫響應的調控機制，研究人員嘗試從植物天然免疫響應信號途徑中最上遊的分子元件入手。通過構建一系列重要的微生物分子模式識別受體（Pattern-recognition receptors, PRRs）的螢光報告基因標記，如FLS2、EFR、CERK1、RLP23、LORE 等，證實細胞損傷能夠誘導大多數模式識別受體基因的上調表達。此外，利用分子模式識別受體與免疫響應標記相結合的「雙螢光報告系統」，研究人員進一步得出結論：局部細胞損傷誘導的受體蛋白水平的增加是開啟根細胞局部免疫響應的前提條件，它們之間存在著高度的相關性。
最後，為了探究「細胞損傷門控」機制在植物與微生物互作中的應用，研究人員利用兩種不同類型根際細菌（共生菌——Pseudomonas protegens CHA0和病原菌——Ralstonia solanacearumGMI1000）分別在擬南芥根系進行侵染實驗並觀察其相關免疫響應的變化。結果表明，植物根系統利用這一「門控」方式實現對「敵我」的識別，即只要在沒有細胞損傷的前提下，對有益菌或共生菌持「包容的態度」，不會激活強烈的免疫反應，兩者可以相互依存，互惠共生；但對於病原菌，由於其具有先天的破壞作用，植物會立刻識別受損細胞並以「零容忍的態度」迅速而高效的開啟免疫響應的「開關」，從而阻止局部病原微生物的進一步入侵。
論文第一作者兼共同通訊作者周峰博士最後指出，這一重要發現對深入了解植物天然免疫系統在協調免疫防禦和生長發育之間的動態平衡具有非常重要的科學意義，並對實際的農業病蟲害微生物「綠色」防治具有潛在的應用價值。
周峰 博士 (文章第一作者兼共同通訊作者)簡介：
2005年畢業於安徽農業大學農學系。2006年考入南京農業大學作物遺傳育種專業、碩博連讀，師從萬建民院士。期間，先後在南京農業大學農學院和中國農業科學院作物科學研究所從事水稻顯性矮化多分櫱基因DWARF 53（D53）的克隆和功能研究工作（Zhou et al, Nature2013），並於2014年獲得南京農業大學作物遺傳育種專業博士學位。此後，其獲得歐洲分子生物學會博士後獎學金資助（EMBO Long-Term Fellowships）並於2015年進入瑞士洛桑大學植物分子生物學系Niko Geldner教授實驗室開展博士後工作，主要的研究方向是模式植物擬南芥根系統天然免疫響應在單細胞水平上的調控機制（Zhou et al,Cell2020）。2020年1月全職回國。
未來研究方向：
1. 水稻根不同細胞類型的發育調控及其對外界環境的響應
2. 水稻獨腳金內酯信號途徑在根系發育中的分子機理
3. 擬南芥根內皮層細胞與土壤微生物互作的作用機制
4. 植物中non-coding RNA的產生和功能機理研究
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近期主要發表論文：
1. Feng Zhou*, Aurélia Emonet, Valérie Dénervaud Tendon, Peter Marhav, Dousheng Wu, Thomas Lahaye， Niko Geldner*. Co-incidence of damage and microbial patterns controls localized immune responses in roots.Cell.2020, https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.013. (*Co-corresponding authors)
2. Feng Zhou, Qibing Lin, Lihong Zhu, Yulong Ren, Kunneng Zhou, ……, Jianmin Wan*. D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signalling. Nature. 2013, 504: 406-410.
論文連結：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30060-X