植物膜受體如何在共生和免疫信號之間一碗水端平

　　在整個生命周期中，植物必須對各種微生物作出適當的反應。在與無害的共生體一起生活并抵御致病和尋求營養的病原體的同時，植物還與提供稀缺礦物質營養的微生物進行親密的內共生（Science | 重磅研究揭示植物如何區分有益和有害微生物！Cell | 瑞士洛桑大學研究揭示植物根部免疫系統如何區別對待病原微生物和有益微生物！Cell Host & Microbe | 植物根部采用細胞層特異性程序響應病原微生物和有益微生物！Nature Plants | 德國馬普植物育種所研究揭示植物先天免疫協調微生物-宿主的平衡！）。特別是，與叢枝菌根真菌（AMF）的互利共生非常普遍，并被認為有助于植物在大約4.5億年前對陸地的定殖。大約在4.5億年前，它對植物的定殖起到了重要作用（Science | 植物與真菌的海誓山盟！研究揭示脂質交換驅動植物陸地化過程中的共生進化！Science | 重磅！植物和微生物的新途徑：與共生微生物和病原微生物的相互作用驅動植物進化！）。直到今天，它對植物營養仍然很重要。植物決定與適當的微生物接觸的分子機制是一個熱點研究的領域，收集到的知識可以使作物的發展更多地受益于其微生物組，并減少其損害。

　　近日，國際權威學術期刊PNAS發表了英國劍橋大學Chai Hao Chiu和Uta Paszkowski的最新相關研究成果，題為How membrane receptors tread the fine balance between symbiosis and immunity signaling的評論文章。

　　植物識別微生物的最早步驟之一是感知植物中沒有的保守分子，也被稱為微生物相關分子模式（MAMPs）。20多年來，植物受體已經被確認，可以識別它們的同源MAMPs并轉發細胞信號（Cell Host ＆ Microbe | Jeff Dangl團隊揭示共生菌群通過MAMP多樣性調節植物免疫！Cell Host & Microbe | 背靠背！Jeff Dangl團隊揭示拮抗多效性調節植物免疫的機制！Cell Host & Microbe | 細菌鞭毛蛋白與植物免疫系統之間的 “貓鼠游戲”！Plant Cell | 牛津大學闡述植物病原菌和共生菌避免細胞表面受體識別的九種胞外策略！）。這些受體識別保守的MAMPs，從肽（如鞭毛蛋白表位）到碳水化合物（如微生物細胞壁成分），是植物先天免疫監視系統的典型。對碳水化合物MAMPs（如幾丁質或肽聚糖）的感知涉及到質膜上的溶素基序受體類蛋白（RLPs）或受體類激酶（RLKs）。最早在噬菌體中發現的溶素基序是一個碳水化合物結合域，對N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）的聚合物有親和力，后者形成幾丁質，是肽聚糖的一個組成部分，而根瘤菌的結節因子也被稱為脂殼寡糖（LCOs）。長鏈殼寡糖（COs），如殼寡糖（CO8）和肽聚糖，通常被認為是與病原體相關的，而短鏈殼四糖（CO4）和LCOs是與共生體相關的MAMPs，當植物與病原體和共生體接觸時，正是這些MAMPs被感知到。

　　來自不同植物物種的證據表明，LysM-RLKs/RLPs在免疫和共生背景下的碳水化合物感知中發揮了作用。LysM-RLKs結瘤因子受體1（NFR1）和NFR5在Lotus japonicus的正向突變體篩選中被確定為感知LCO（也被稱為結瘤因子）以啟動與根瘤菌固氮共生的信號所必需。在水稻中，親和標記確定幾丁質誘導子結合蛋白（CEBiP）是主要的CO結合受體。CEBiP和它的核心受體Chitin Elicitor Receptor Kinase 1（CERK1）是幾丁質觸發的免疫所必需的。有趣的觀察是，水稻CERK1突變體顯示出叢枝菌根真菌共生的減少，這表明對病原體發出的信號和促進共生的因子（也被稱為myc因子，類似于根瘤菌結瘤因子）的感知涉及一個共享的核心受體。事實上，我們現在知道CERK1是碳水化合物MAMP感知中的一個主要核心受體，并且在迄今為止測試的大多數（但不是全部）植物物種中參與免疫和菌根共生信號。

　　因此，關于植物如何區分共生體和病原體的一個有吸引力的模型是，不同的CERK1-核心受體復合物的形成導致不同的信號輸出。在PNAS上，Zhang等人（PNAS | 中科院王二濤團隊揭示受體競爭可以區分水稻的共生和免疫信號！）現在提供證據表明，根據招募CERK1的受體，水稻植株區分共生與免疫信號，如圖所示。有絲分裂原激活蛋白激酶（MAPKs）的磷酸化和活性氧（ROS）的產生都代表了信號轉導級聯的激活，并經常被用作免疫信號的輸出，而核鈣振蕩則作為與共生有關的反應的代理。Zhang等人使用純化的COs表明，CO8在激活MAPK和ROS的同時也激活了與共生有關的核鈣振蕩，而CO4只引起了核鈣振蕩。這些數據表明，植物對AMF的早期感知很可能涉及CO8，也可能涉及CO4，這證實了其他人的報告。

　　觀察到用CO4預處理可以抑制CO8誘導的ROS，并確認這種抑制需要CO4結合受體--Myc Factor Receptor 1，以前也被稱為Nod Factor Receptor 5（MYR1/NFR5），暗示了質膜上復雜受體動態的可能性。在擬南芥原生質體中進行的一系列生化實驗表明，CO4減弱了CERK1-CEBiP的相互作用，而MYR1的存在又進一步增強了這種作用。與生化證據一致，myr1突變體的生理表型包括更高水平的CO8誘導的ROS，防御基因的表達增加，以及稻瘟病真菌Magnaporthe oryzae的定殖減少。這些試驗共同支持這樣的觀點：在沒有MYR1的情況下，CERK1-CEBiPe的免疫反應更強。

　　在過量表達MYR1-GFP的植物中，水稻對稻瘟病真菌的敏感性增強，這進一步證明了相互作用和免疫力之間的微妙平衡。正如本研究和早期工作所證明的，在感知AMF時，免疫和共生信號反應都被激活。因此，免疫受體CEBiP的損失預計會增加由CERK1-MYR1復合體所施加的共生信號反應。因此，Zhang等人注意到cebip突變體的菌根共生微妙增加，這發生在共生的早期階段（接種后2周），此后便消失了。由于可以預料到在整個共生體建立過程中不斷需要控制免疫信號，因此在沒有免疫激活的CERK1-CEBiP復合體的情況下，共生體的適度和短暫的促進是一個有待進一步研究的謎團。

　　綜上所述，Zhang等人的工作為一個模型提供了證據，其中CERK1-CEBiP復合體支持免疫反應，而CERK1-MYR1/NFR5復合體在有益的AMF存在時激活共生信號。因此，受體復合體之間的競爭導致了共生和免疫的對抗性信號輸出--如圖所總結。

　　然而，還有許多懸而未決的問題。例如，不同的幾丁質信號-CO4、CO8和LCOs在被植物感知時是如何整合的？我們現在了解到，廣泛的真菌（包括擔子菌和子囊菌）產生LCOs，這種化合物通常被認為是一種共生信號，因為它事先被確認為根瘤菌的結瘤因子。另一方面，幾丁質是真菌細胞壁不可缺少的成分，也是豐富的植物幾丁質酶的底物，其活性可產生包括CO4和CO8在內的COs。這樣看來，根際不可避免地富含CO8、CO4和LCOs。CO4和LCOs都能夠減弱CO8引起的早期免疫相關的ROS和MAPK激活。所有這些幾丁質信號都能激活核鈣振蕩（共生信號的一個標志），但在這項工作中，CO8最終抑制了與AMF的共生。Zhang等人將他們的工作重點放在CO4上，提到LCOs不被水稻感知，盡管值得注意的是，作者以前證明了在水稻中較高濃度的LCOs下發生核鈣振蕩，這與在其他植物物種中的觀察結果一致。

　　另一個重要的未回答的問題與已知的受體配體雜亂性有關，不嚴格地與CO4或CO8結合，以及如何將其納入模型。這項工作和以前的工作表明，CEBiP與CO4和CO8結合的親和力相似，而MYR1與CO4結合，與CO8的親和力較低。那么，與CO4和CO8結合的受體復合體的相對數量及其組成是什么？顯然，需要做更多的工作來了解植物究竟如何利用CO8、CO4和LCO的感知來區分有益的和致病的微生物。本文中介紹的受體競爭提供了一種機制，標志著我們開始更全面地了解植物界如何感知陸地第二豐富的聚合物，以及植物如何與適當的微生物形成共生關系。