科研人員揭示NLR免疫受體ADR1與脂肪酶類蛋白EDS1PAD4調控植物氣孔免疫的分子機制

　　氣孔是葉等植物地上器官表皮成對保衛細胞構成的開孔結構，是病原菌侵入植物造成病害的主要通道。早在1886年，Von Thümen 發現甜菜褐斑病菌通過氣孔進入植物體，形成侵染菌絲。然而，植物不會坐以待斃。保衛細胞的表面受體識別病原菌分子模式，激活水楊酸及脫落酸等激素途徑，關閉氣孔，阻擋病原菌入侵，形成氣孔免疫。作為反擊，病原菌將效應蛋白（Effector）注入植物細胞，抑制氣孔關閉等免疫反應，促進侵染。在植物細胞內，存在大量NLRs（nucleotide-binding domain leucine-rich repeat-containing proteins）免疫受體，負責監控效應蛋白的存在，啟動強烈的免疫反應 (Effector triggered immunity，ETI) ，如過敏性細胞死亡，阻斷病原菌從植物細胞獲取營養，賦予植物顯著抗病性狀。齊天從老師與加州大學Brian Staskawicz院士、Eva Nogales院士、Raoul Martin博士及合作者的先前研究，解析了本氏煙（Nicotiana benthamiana）感知效應蛋白的TIR-NLR受體ROQ1直接識別黃單胞菌效應蛋白XopQ的復合體結構，闡明了一種NLR受體的識別與免疫防御機制（Martin#, Qi# et al., Science, 2020, 370:eabd9993）。

　　植物RPW8類NLR免疫受體包括NRG1和ADR1兩個家族。齊天從老師先前在Brian Staskawicz院士實驗室發現，本氏煙NRG1作為一個核心免疫受體，與植物關鍵免疫蛋白EDS1互作，在ROQ1等TIR-NLR受體下游介導細胞死亡等ETI免疫反應（Qi et al., PNAS, 2018, 115: E10979）。目前，本氏煙ADR1受體的免疫功能及信號傳導機制仍不清楚。

　　清華大學生命科學學院、植物生物學研究中心齊天從研究組在《植物細胞》（The Plant Cell）在線發表題為“NLR免疫受體ADR1與脂肪酶類蛋白EDS1-PAD4調控植物氣孔免疫” (The NLR immune receptor ADR1 and lipase-like proteins EDS1 and PAD4 mediate stomatal immunity in Nicotiana benthamiana and Arabidopsis) 的研究論文。該工作首次揭示植物NLR免疫受體ADR1及其互作核心組分EDS1-PAD4共同介導保衛細胞特異的氣孔免疫反應，發現ADR1-EDS1-PAD4模塊與關鍵轉錄因子WRKY40e協作調控氣孔免疫，闡明細胞內NLR類型免疫受體通過轉錄因子調控激素途徑控制氣孔免疫的信號傳導通路。

　　目前，還未有關于植物胞內NLR免疫受體介導氣孔免疫的報道。該工作通過噴霧接種假單胞菌DC3000（含有效應蛋白HopQ1）發現：本氏煙nrg1突變體因喪失對HopQ1的免疫能力而感病；有趣的是，雙突變體adr1 nrg1明顯比nrg1更感病，暗示NbADR1調控氣孔免疫。通過對比噴霧和注射接種假單胞菌和黃單胞菌的不同菌株等實驗發現，NbADR1、NbEDS1、及NbPAD4介導植物保衛細胞關閉與氣孔免疫。病原菌鞭毛蛋白相關分子flg22及保衛細胞表面受體FLS2-BAK1調控氣孔免疫，也依賴于NbADR1、NbPAD4與NbEDS1。病原菌侵染誘導NbADR1與NbEDS1-NbPAD4在保衛細胞中互作。該研究鑒定到與NbEDS1/NbPAD4互作的轉錄因子NbWRKY40e。本氏煙突變體adr1、pad4、eds1以及wrky40e均阻斷了病原菌侵染誘導的水楊酸與脫落酸合成或響應基因表達，而施加水楊酸與脫落酸可以恢復其氣孔關閉。NbADR1、NbEDS1及NbPAD4調控NbWRKY40e與水楊酸合成酶關鍵基因ICS1啟動子的結合。這些結果表明NbADR1-NbEDS1-NbPAD4-NbWRKY40e通過水楊酸和脫落酸通路介導氣孔免疫。此外，ADR1s廣泛存在于被子植物。擬南芥突變體adr1s、eds1及pad4也具有氣孔免疫缺陷表型，說明ADR1-EDS1-PAD4模塊調控氣孔免疫具有保守性。該研究提出了胞內NLR受體的全新免疫功能，揭示了其介導保衛細胞關閉與氣孔免疫的信號轉導分子機制。

　　清華大學生命科學學院、植物生物學研究中心齊天從研究員為論文通訊作者。清華大學生命科學學院2020級博士生王漢靈與首都師范大學生命科學學院宋素勝老師為共同第一作者。加州大學伯克利分校Brian Staskawicz院士，清華大學生命學院劉玉樂教授、高尚博士（已出站）、張海波博士（已出站）、2020級博士生余強勝、2022級博士生崔秀琳，中國農業大學植物保護學院的范軍教授，中國科學院分子植物科學卓越創新中心辛秀芳研究員對該研究做出了重要貢獻。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及清華北大生命科學聯合中心的基金支持。

　　圖1：胞內NLR受體ADR1與EDS1/PAD4介導氣孔免疫的分子機制