Plant Cell | 新型细胞死亡方式Ferroptosis在水稻-稻瘟病菌互作中的作用机制

细胞死亡是植物抵抗病原体入侵的有效免疫和防御反应，宿主植物可以通过细胞死亡限制病原体的生长和增殖。ROS 爆发（ROS burst）是植物细胞识别病原体入侵的防御信号事件之一，致毒病原体会引发植物细胞中微弱和暂时的ROS爆发；但是无毒病原体则诱导出植物细胞中强烈和持续的 ROS 爆发，从而引起HR（Hypersensitive response）反应和植物抗性【1】。

近几年在哺乳动物细胞发现了一种以非凋亡形式存在的铁依赖性细胞死亡方式—Ferroptosis。Ferroptotic 细胞死亡与细胞凋亡、坏死和自噬不同，它是被谷胱甘肽依赖性抗氧化防御的失活以及随后铁依赖性脂质 ROS 的积累诱导，并且 ROS、铁和脂质过氧化物直接参与了 Ferroptotic 细胞死亡过程【2,3】。

2017年10月，Cell 在线发表了一篇题为 Ferroptosis: A Regulated Cell Death Nexus Linking Metabolism, Redox Biology, and Disease 的综述，表明Ferroptosis 与动植物体中许多生物过程（氨基酸、铁多不饱和脂肪酸代谢以及谷胱甘肽、磷脂和NADPH的生物合成等）紧密相关。Ferroptosis 与多种人类疾病的病理性细胞死亡有关，并且也报道了与植物中热应激的关系【4】，但是目前还有没有在植物-病原菌互作中研究 Ferroptotic 细胞死亡的作用机制。

近日，韩国 Sejong University 的Nam-Soo Jwa等在 The Plant Cell 在线发表了一篇题为 Iron- and Reactive Oxygen Species-Dependent Ferroptotic Cell Death in Rice- Magnaporthe oryzae Interactions 的研究论文，在水稻-稻瘟病菌中报道了Ferroptotic HR 细胞死亡的作用机制。

在这项研究中，研究人员发现，在无毒稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）感染过程中，铁离子和 ROS 在水稻叶鞘组织中积累，但是在有毒的稻瘟病菌或菌激发子处理时，铁离子不会在水稻细胞中积累。这一响应与水稻和无毒稻瘟病菌的基因型无关，表明铁和 ROS 参与水稻的 HR 细胞死亡以响应无毒稻瘟病菌。该研究还发现，无毒稻瘟病菌感染

ΔOs-nadp-me 2-3 突变体水稻（NADP-malic enzyme 2 缺失突变体）时，铁离子和 ROS 不会在水稻细胞中积累，表明NADP-malic enzyme 2对 Ferroptotic 细胞死亡是必不可少的。

在该研究中，小分子铁蛋白沉积抑制剂 DFO（deferoxamine）、Fer-1（ferrostatin-1）和细胞松弛素E（cytochalasin E）以及 NADPH- 氧化酶抑制剂 DPI 均会抑制铁依赖性 ROS 积累和脂质过氧化，从而导致无毒稻瘟病菌感染过程中水稻鞘中的HR细胞死亡被减弱。与此不同的是，Ferroptosis 的小分子诱导剂 Erastin 可以恢复 ΔOs-nadp-me 2-3 水稻突变体中的铁离子和 ROS 的积累，但是抑制谷胱甘肽的产生，表明 Erastin 介导的 Ferroptotic 细胞死亡可能不需要 NADP-malic enzyme 激发 ROS 积累。

水稻-稻瘟病菌相互作用中铁和 ROS 依赖性 Ferroptotic 细胞死亡的作用模型

总之，该研究表明铁和 ROS 依赖性信号传导级联参与水稻中的 Ferroptotic 型细胞死亡途径以抵抗稻瘟病菌的侵染。

参考文献

【1】Grant, J.J., and Loake, G.J. (2000). Role of reactive oxygen intermediates and cognate redox signaling in disease resistance. Plant Physiol. 124: 21–29.

【2】Dixon, S.J., Lemberg, K.M., Lamprecht, M.R., Skouta, R., Zaitsev, E.M., Gleason, C.E., Patel, D.N., Bauer, A.J., Cantley, A.M., Yang, W.S., Morrison, B., and Stockwell, B.R. (2012) .Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell 149: 1060–1072.

【3】Cao, J.Y., and Dixon, S. J. (2016). Mechanism of ferroptosis. Cell. Mol. Life Sci. 73: 2195-2209.

【4】Stockwell, B.R., Friedmann Angeli, J.P., Bayir, H., Bush, A.I., Conrad, M., Dixon, S.J., Fulda, S., Gascón, S., Hatzios, S.K., Kagan, V.E., Noel, K., Jiang, X., Linkermann, A., Murphy, M.E.,Overholtzer, M., Oyagi, A., Pagnussat, G.C., Park, J., Ran, Q., Rosenfeld, C.S., Salnikow, K.,Tang, D., Torti, F.M., Torti, S.V., Toyokuni, S., Woerpel, K.A., and Zhang, D.D. (2017).Ferroptosis: a regulated cell death nexus linking metabolism, redox biology, and disease. Cell 171:273-285.

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