在與病原體的長期博弈中，植物進(jìn)化出了極其精密且復(fù)雜的免疫系統(tǒng)。其中，核苷酸結(jié)合亮氨酸富集重復(fù)序列（NLR）受體是植物細(xì)胞內(nèi)感知病原體攻擊的關(guān)鍵“哨兵”。已有觀點(diǎn)認(rèn)為，NLR被激活后會(huì)形成寡聚的“抗病小體（resistosome）”，并插入細(xì)胞質(zhì)膜，形成鈣離子（Ca2?）通道，從而誘發(fā)免疫反應(yīng)。然而，這一經(jīng)典模型是否涵蓋了所有類型的NLR？植物細(xì)胞器在這一過程中扮演了怎樣的角色？這些問題一直懸而未決。

近日，來自英國帝國理工學(xué)院、薩斯伯里實(shí)驗(yàn)室以及多個(gè)國際研究機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)在Science在線發(fā)表了題為A helper NLR channels organellar calcium to trigger plant immunity的研究論文。該研究打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，發(fā)現(xiàn) Helper NLR 蛋白 NRG1 并非作用于細(xì)胞質(zhì)膜，而是靶向葉綠體等細(xì)胞器，通過介導(dǎo)細(xì)胞器內(nèi)鈣離子向細(xì)胞質(zhì)的釋放來觸發(fā)免疫。

為了探究不同類型 NLR 的功能差異，研究團(tuán)隊(duì)對Helper NLR家族中的NRG1 進(jìn)行了深入研究。通過高分辨率顯微成像發(fā)現(xiàn)，與插入細(xì)胞質(zhì)膜的經(jīng)典CC-NLR（如NRC4）不同，激活態(tài)的NRG1主要積聚在葉綠體被膜及其他細(xì)胞器膜上（圖 1）。這一發(fā)現(xiàn)暗示了NRG1可能通過一種不同的機(jī)制來發(fā)揮作用。

圖1 NRG1激活后特異性定位于葉綠體被膜

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，NRG1 在葉綠體膜上組裝成的抗病小體具有鈣離子通道活性，激活后的NRG1會(huì)將葉綠體基質(zhì)（stroma）中的 Ca2? 泵入細(xì)胞質(zhì)中，從而產(chǎn)生觸發(fā)免疫反應(yīng)所需的鈣信號。利用納米抗體介導(dǎo)的重定位技術(shù)（Nanobody-mediated relocalization），研究者發(fā)現(xiàn)，如果將原本作用于質(zhì)膜的NRC4強(qiáng)行“困”在葉綠體上，它將喪失防御功能；而NRG1即使被鎖定在葉綠體上，依然能夠高效誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。這有力地證明了NRG1的功能具有高度的細(xì)胞器膜特異性。

為了理解NRG1為何能跨越復(fù)雜的細(xì)胞器雙層膜，研究團(tuán)隊(duì)利用AlphaFold對其抗病小體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模。結(jié)果顯示，NRG1的N端具有一段長的膜插入結(jié)構(gòu)。這段結(jié)構(gòu)足以跨越葉綠體的雙層被膜，為鈣離子從基質(zhì)流向細(xì)胞質(zhì)提供了通道（圖2）。

圖2 AlphaFold模擬的NRG1抗病小體結(jié)構(gòu)及其長N端膜插入域

更令人驚喜的是，研究人員在非開花植物（如苔蘚、蕨類）到被子植物的多個(gè)物種中都發(fā)現(xiàn)了NRG1的同源蛋白，且它們均具有靶向葉綠體的特性。這表明，以細(xì)胞器為中心的免疫防御機(jī)制在植物演化史上至少已經(jīng)存在了約3.6億年，是植物對抗病原體的一項(xiàng)極其古老且保守的“秘密武器”。

綜上所述，該研究填補(bǔ)了植物免疫信號傳導(dǎo)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要空白，揭示了植物如何通過 Helper NLR 精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞器鈣庫來觸發(fā)防御反應(yīng)。這不僅深化了我們對植物先天免疫系統(tǒng)的理解，也為未來通過生物技術(shù)手段改良作物抗病性、開發(fā)新型抗病育種策略提供了全新的理論基礎(chǔ)和分子靶點(diǎn)。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb6690