科學家發現植物免疫調控新機制

6月12日，《自然》在線報道了西湖大學生命科學學院講席教授柴繼杰團隊及合作者的突破性研究成果——他們揭示了植物中NLR蛋白的寡聚促進自抑制機制及六磷酸肌醇/五磷酸肌醇在植物免疫信號中的新角色，發現了此前未曾被發現的一類NLR介導植物免疫的獨特機制，為應對植物病害引起的糧食減產、糧食安全問題提供了新思路。

番茄NRC2結構中發現磷酸肌醇小分子及質譜鑒定結果。課題組供圖

在長期關注抗病蛋白的過程中，柴繼杰團隊察覺到，番茄中有一類抗病蛋白似乎“不按理出牌”。

這種抗病蛋白簡稱NRC蛋白（為植物細胞死亡所需要的一類NLR蛋白）。在番茄中，即便在沒有外敵入侵的正常情況下，它的表達量依然比較高。簡單理解，蛋白質的表達，意味著進入功能“準備中”的狀態，一旦數量過多、濃度過高，很可能會激活“斷臂求生”這一步。大量集結的NRC蛋白，隨時都有可能在沒有病蟲害的情況下開啟過激免疫戰斗的風險。為什么番茄集結了免疫大軍，卻能始終做到“隱忍不發”？不止番茄，柴繼杰團隊發現，其他茄科植物比如煙草，也有這樣的特性。

他們發現，番茄中的一個NRC蛋白NRC2能夠形成二聚體和四聚體，并在濃度增加條件下形成高階寡聚體。利用冷凍電子顯微鏡，研究團隊展示了NRC2蛋白在這些寡聚體中的非活性構象。結構分析顯示，NRC2的二聚化和寡聚化能夠穩定其自身的非活性狀態，防止其自發激活，即通過不同單體之間的相互作用，保持穩定的自抑制狀態。

也就是說，這些蛋白自發形成了一種能防止激活、進入下一步免疫狀態的結構形態，并不會魯莽“作戰”引發免疫危機。常規認知里的“濃度高、表達多”會誘發蛋白激活狀態，到NRC2身上，反而成了有利于它形成抑制結構的條件。

更重要的是，研究團隊還發現了磷酸肌醇在維系NRC2蛋白介導的免疫中，起到了重要的“輔助”作用；由于NRC蛋白隸屬NLR蛋白，這也是科學家第一次發現NLR蛋白需要輔助因子來發揮免疫作用。

磷酸肌醇是植物能量代謝過程中非常重要的一類有機小分子。研究團隊發現，磷酸肌醇與NRC2蛋白有“勾連”——磷酸肌醇與NRC2蛋白的C末端富亮氨酸重復域結合，通過質譜分析就可以驗證植物中NRC2確實結合磷酸肌醇，并證明磷酸肌醇的結合對于NRC2介導的細胞死亡反應是必需的。

在隨后的對照組實驗中：在“去掉”磷酸肌醇后，NRC2蛋白果然就不易被上游效應因子激活，證實了磷酸肌醇在調節NRC2信號傳導中起到了關鍵的輔助因子作用。

“這意味著植物的免疫反應信號與植物的能量代謝過程可能關聯在一起，同時也提出了一個未來很值得研究的科學新問題。”柴繼杰說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07668-7