Plant Cell | 清华大学齐天从团队揭示NLR免疫受体ADR1与脂肪酶类蛋白EDS1-PAD4调控植物气孔免疫的分子机制

责编 | 王一

气孔是叶等植物地上器官表皮成对保卫细胞构成的开孔结构，是病原菌侵入植物造成病害的主要通道。早在1886年，Von Thümen 发现甜菜褐斑病菌通过气孔进入植物体，形成侵染菌丝。然而，植物不会坐以待毙。保卫细胞的表面受体识别病原菌分子模式，激活水杨酸及脱落酸等激素途径，关闭气孔，阻挡病原菌入侵，形成气孔免疫。作为反击，病原菌将效应蛋白（Effector）注入植物细胞，抑制气孔关闭等免疫反应，促进侵染。在植物细胞内，存在大量NLRs（nucleotide-binding domain leucine-rich repeat-containing proteins）免疫受体，负责监控效应蛋白的存在，启动强烈的免疫反应 (Effector-triggered immunity，ETI) ，如过敏性细胞死亡，阻断病原菌从植物细胞获取营养，赋予植物显著抗病性状。清华大学齐天从研究员与加州大学Brian Staskawicz院士、Eva Nogales院士、Raoul Martin博士及合作者的先前研究，解析了本氏烟（Nicotiana benthamiana）感知效应蛋白的TIR-NLR受体ROQ1直接识别黄单胞菌效应蛋白XopQ的复合体结构，阐明了一种NLR受体的识别与免疫防御机制 （Martin#, Qi# et al., Science, 2020, 370:eabd9993） 。

植物RPW8类NLR免疫受体包括NRG1和ADR1两个家族。齐天从研究员先前在Brian Staskawicz院士实验室发现，本氏烟NRG1作为一个核心免疫受体，与植物关键免疫蛋白EDS1互作，在ROQ1等TIR-NLR受体下游介导细胞死亡等ETI免疫反应 （Qi et al., PNAS, 2018, 115: E10979） 。目前，本氏烟ADR1受体的免疫功能及信号传导机制仍不清楚。

2023年10月18日，清华大学生命科学学院、植物生物学研究中心齐天从研究组在The Plant Cell在线发表了题为 “The NLR immune receptor ADR1 and lipase-like proteins EDS1 and PAD4 mediate stomatal immunity in Nicotiana benthamiana and Arabidopsis”的研究论文。该工作首次揭示植物NLR免疫受体ADR1及其互作核心组分EDS1-PAD4共同介导保卫细胞特异的气孔免疫反应，发现ADR1-EDS1-PAD4模块与关键转录因子WRKY40e协作调控气孔免疫，阐明细胞内NLR类型免疫受体通过转录因子调控激素途径控制气孔免疫的信号传导通路。

目前，还未有关于植物胞内NLR免疫受体介导气孔免疫的报道。该工作通过喷雾接种假单胞菌DC3000（含有效应蛋白HopQ1）发现：本氏烟nrg1突变体因丧失对HopQ1的免疫能力而感病；有趣的是，双突变体adr1 nrg1明显比nrg1更感病，暗示NbADR1调控气孔免疫。通过对比喷雾和注射接种假单胞菌和黄单胞菌的不同菌株等实验发现，NbADR1、NbEDS1、及NbPAD4介导植物保卫细胞关闭与气孔免疫。病原菌鞭毛蛋白相关分子flg22及保卫细胞表面受体FLS2-BAK1调控气孔免疫，也依赖于NbADR1、NbPAD4与NbEDS1。病原菌侵染诱导NbADR1与NbEDS1-NbPAD4在保卫细胞中互作。该研究鉴定到与NbEDS1/NbPAD4互作的转录因子NbWRKY40e。本氏烟突变体adr1、pad4、eds1、以及wrky40e均阻断了病原菌侵染诱导的水杨酸与脱落酸合成或响应基因表达，而施加水杨酸与脱落酸可以恢复其气孔关闭。NbADR1、NbEDS1及NbPAD4调控NbWRKY40e与水杨酸合成酶关键基因ICS1启动子的结合。这些结果表明NbADR1-NbEDS1-NbPAD4-NbWRKY40e通过水杨酸和脱落酸通路介导气孔免疫。此外，ADR1s广泛存在于被子植物。拟南芥突变体adr1s、eds1、及pad4也具有气孔免疫缺陷表型，说明ADR1-EDS1-PAD4模块调控气孔免疫具有保守性。该研究提出了胞内NLR受体的全新免疫功能，揭示了其介导保卫细胞关闭与气孔免疫的信号转导分子机制。

图：胞内NLR受体ADR1与EDS1/PAD4介导气孔免疫的分子机制

清华大学生命科学学院、植物生物学研究中心齐天从研究员为论文通讯作者。清华大学生命科学学院2020级博士生王汉灵与首都师范大学生命科学学院宋素胜老师为共同第一作者。加州大学伯克利分校Brian Staskawicz院士、清华大学生命学院刘玉乐教授、高尚博士（已出站）、张海波博士（已出站）、2020级博士生余强胜、2022级博士生崔秀琳、中国农业大学植物保护学院的范军教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究员对该研究做出了重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及清华北大生命科学联合中心的基金支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1093/plcell/koad270