Science | 是敌是友？植物识别病原菌来源的神经酰胺类物质，并激活免疫反应的新机制

撰文 | SHR

责编 | 王一

植物的先天免疫系统可以通过细胞表面模式识别受体（PRRs）识别病原菌/微生物相关分子模式（PAMPs/MAMPs）或病原菌入侵造成的损害相关分子模式（DAMPs）从而激活植物自身的免疫信号传导和下游防御反应【1】。研究表明，PRRs 与PAMPs/MAMPs之间的分子相互作用主要是对肽、蛋白质和碳水化合物等的识别，最近的研究发现PRRs也可通过识别病原体来源的脂质类物质（如中链长度的3-羟基脂肪酸）激发免疫反应【2】。此外，在马铃薯与致病疫霉（Phytophthora infestans）的相互作用中发现，神经酰胺类化合物Pi-Cer D（P. infestans ceramide D）是诱导马铃薯免疫信号的关键介质，并且该物质也被证明可以激活拟南芥的免疫响应【3】。然而，目前关于Pi-Cer D激活植物免疫响应的潜在分子机制仍有待探索。

近期，来自日本京都大学的研究人员在拟南芥中揭秘了这一潜在机制，发现Pi-Cer D可被拟南芥质外体神经酰胺酶切割并产生一种9-甲基分支鞘氨醇碱基并被质膜定位的类凝集素受体激酶识别后激活下游免疫反应。该研究成果以题为Recognition of pathogen-derived sphingolipids in Arabidopsis发表在Science上。

在拟南芥中，WRKY33基因是由PAMPs诱导并激活下游防御的关键因子【4】，并且其表达也受到Pi-Cer D的诱导。因此，研究人员基于pWRKY33-LUC株系的诱变群体，筛选了9个对 Pi-Cer D 不敏感的突变体和两个低敏感性突变体，有趣的是，这些突变体对其他PAMPs敏感，表明这些株系中与Pi-Cer D相关的信号转导途径受损。通过进一步的MutMap分析，研究人员发现这9个不敏感突变体的1号染色体上均显示SNP指数峰并包含At1g11330基因的SNP。研究表明，该基因编码一种类凝集素受体激酶RDA2（RESISTANT TO DFPM-INHIBITION OF ABSCISIC ACID SIGNALING 2），并且rda2对合成小分子DFPM不敏感且不能感知/传导DFPM介导的信号和对ABA信号的抑制。同样，对Pi-Cer D低敏感性突变体的研究结果显示与2号染色体的At2g38010基因（编码中性神经酰胺酶NCER2，neutral ceramidase 2）有关。基于此，研究人员将上述对Pi-Cer D不敏感或低敏感突变体分别命名为rda2-4~ rda2-10以及ncer2-2~ncer2-3。研究人员还发现，对rda2和ncer2突变株相应基因的互补可恢复对Pi-Cer D的响应，表明RDA2和NECR2是拟南芥中Pi-Cer D识别所必需的。

Arabidopsis RDA2 and NCER2 are required for recognition of Pi-Cer D and resistance against H. arabidopsidis.

基于上述研究结果，研究人员假设Pi-Cer D会首先被NCER2裂解为成熟配体，之后被质膜定位的RDA2识别并激活下游免疫反应。进一步试验结果显示，本氏烟NCER2或者小鼠神经酰胺酶可以与Pi-Cer D共同恢复ncer2突变株的免疫表型，表明NCER2编码的神经酰胺酶介导的Pi-Cer D的切割产物可被RDA2识别。进一步的脂质分析结果显示具有鞘氨醇碱基的9Me-Spt（sphingoid base, (4E,8E,10E)-9-methyl-4,8,10-sphingatrienine）可能是RDA2的配体。此外，野生型和rda2突变株（而非Pi-Cer D处理的ncer2突变株）的培养基中可检测到9Me Spt。上述研究表明9Me Spt是Pi-Cer D的切割产物并被RDA2识别。

进一步对不同鞘氨醇碱基的测试结果显示，RDA2对配体的有效识别取决于9Me-Spt的9-甲基分支结构，这种9-甲基分支结构在卵菌和真菌中普遍存在，并且9-甲基鞘氨醇碱基可以与RDA2发生物理相互作用，并诱导下游免疫响应，从而在植物区分“自我”和“非自我”过程中发挥了关键作用。

综上所述，该研究表明Pi-Cer D可以被NCER2切割产生9-甲基分支鞘氨醇碱基并被质膜RDA2识别，从而诱导下游免疫响应，该研究结果阐明了植物中病原菌来源的脂质分子的识别机制。

参考文献

【1】F. Boutrot, C. Zipfel, Annu. Rev. Phytopathol. 55, 2 5 7–286 (2017).

【2】A. Kutschera et al., Science 364, 178–181 (2019).

【3】H. Kato et al., Mol. Plant Microbe Interact. 33, 1 3 6 6–1380 (2020).

【4】C. Denoux et al., Mol. Plant 1, 423–445 (2008).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0650