摘要：由加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
科學(xué)家們早就知道葉綠體可以幫助植物將太陽能轉(zhuǎn)化為食物，但由加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
葉綠體通常是球形的，但有一小部分會改變形狀，發(fā)出管狀的突起，稱為“stromules基質(zhì)”。一個多世紀前首次觀察到stromules，但它的生物學(xué)功能至今仍是個謎。
先前的研究表明，當(dāng)植物檢測到感染時，葉綠體會產(chǎn)生更多的stromules。stromules有助于葉綠體聚集在細胞核周圍，并作為通道將葉綠體的親防御信號輸送到細胞核。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，研究人員還不能確定stromules在免疫中的作用，因為沒有發(fā)現(xiàn)與stromules形成有關(guān)的基因。
在這項新研究中，植物生物學(xué)系的savthramma Dinesh-Kumar教授和研究生Nathan Meier及其同事發(fā)現(xiàn)了一種參與免疫過程中基質(zhì)生物發(fā)生的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在10月25日的《科學(xué)進展》雜志上。
圖1 含有驅(qū)動蛋白KIS1的Calponin同源結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)葉綠體基質(zhì)的形成和免疫
免疫防御中隱藏的玩家
為了測試基質(zhì)在免疫中的作用，研究人員需要關(guān)閉它們，然后觀察沒有基質(zhì)的植物細胞在面對病原體時的表現(xiàn)。然而，在不知道哪些基因與基質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)的情況下，研究人員沒有辦法知道應(yīng)該關(guān)閉哪些基因。
為了克服這個障礙，研究人員轉(zhuǎn)向了運動蛋白，這種蛋白質(zhì)的功能就像微小的馬達，可以讓分子和細胞器在細胞內(nèi)移動。這種細胞內(nèi)運動通常涉及細胞的細胞骨架，它由兩種不同類型的纖維組成:大微管和小肌動蛋白絲。
研究人員想要研究一種植物特有的能夠結(jié)合微管和肌動蛋白細絲的動力蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒有病原體感染的情況下，其中一種驅(qū)動蛋白KIS1的過度表達誘導(dǎo)基質(zhì)形成。當(dāng)研究人員操縱煙草和擬南芥植物，使它們不能產(chǎn)生KIS1驅(qū)動蛋白時，他們發(fā)現(xiàn)這兩種植物都不能形成基質(zhì)，它們的葉綠體也不能向細胞核遷移。這使得植物無法保護自己免受引入病原體的侵害。
葉綠體運動的秘密
為了解開微管和肌動蛋白的作用，研究人員設(shè)計了一組只能與微管結(jié)合的KIS1變異，另一組只能與肌動蛋白結(jié)合。這些變異在煙草中的表達表明，KIS1需要與微管結(jié)合才能使葉綠體形成基質(zhì)，但為了使葉綠體向細胞核移動，它還必須與肌動蛋白結(jié)合。
研究小組還想知道stromules是如何融入植物免疫系統(tǒng)的。通過使用基因操作來關(guān)閉不同的免疫信號，他們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的形成是由分子信號觸發(fā)的，并且為了形成基質(zhì)需要一個完整的免疫信號系統(tǒng)。
如果我們?nèi)コ魏我阎拿庖咝盘柣颍~綠體就會失去制造基質(zhì)的能力，這表明這些結(jié)構(gòu)是激活防御的免疫信號通路的一個組成部分，”Dinesh-Kumar說。
圖2 具有鈣調(diào)蛋白同源結(jié)構(gòu)域At5g41310的擬南芥驅(qū)動蛋白的過表達誘導(dǎo)組成型stromule的形成。
植物免疫的新發(fā)現(xiàn)
本研究首次證實植物動力蛋白直接參與植物免疫。這也是科學(xué)家們第一次發(fā)現(xiàn)一個參與葉綠體間質(zhì)生物發(fā)生的基因——kis1，這為理解葉綠體間質(zhì)的作用以及在植物免疫防御過程中葉綠體聚集在細胞核周圍的原因打開了大門。
“如果我們能在細胞水平上更好地了解葉綠體等細胞器如何幫助細胞保護自己，我們就能幫助設(shè)計出對病原體的抵抗力。”Dinesh-Kumar說。
這項研究是由美國國立衛(wèi)生研究院和美國農(nóng)業(yè)部國家食品和農(nóng)業(yè)研究所資助的。
參考資料
[1] Calponin-homology domain containing kinesin, KIS1, regulates chloroplast stromule formation and immunity
摘要：由加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
科學(xué)家們早就知道葉綠體可以幫助植物將太陽能轉(zhuǎn)化為食物，但由加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
葉綠體通常是球形的，但有一小部分會改變形狀，發(fā)出管狀的突起，稱為“stromules基質(zhì)”。一個多世紀前首次觀察到stromules，但它的生物學(xué)功能至今仍是個謎。
先前的研究表明，當(dāng)植物檢測到感染時，葉綠體會產(chǎn)生更多的stromules。stromules有助于葉綠體聚集在細胞核周圍，并作為通道將葉綠體的親防御信號輸送到細胞核。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，研究人員還不能確定stromules在免疫中的作用，因為沒有發(fā)現(xiàn)與stromules形成有關(guān)的基因。
在這項新研究中，植物生物學(xué)系的savthramma Dinesh-Kumar教授和研究生Nathan Meier及其同事發(fā)現(xiàn)了一種參與免疫過程中基質(zhì)生物發(fā)生的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在10月25日的《科學(xué)進展》雜志上。
圖1 含有驅(qū)動蛋白KIS1的Calponin同源結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)葉綠體基質(zhì)的形成和免疫
免疫防御中隱藏的玩家
為了測試基質(zhì)在免疫中的作用，研究人員需要關(guān)閉它們，然后觀察沒有基質(zhì)的植物細胞在面對病原體時的表現(xiàn)。然而，在不知道哪些基因與基質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)的情況下，研究人員沒有辦法知道應(yīng)該關(guān)閉哪些基因。
為了克服這個障礙，研究人員轉(zhuǎn)向了運動蛋白，這種蛋白質(zhì)的功能就像微小的馬達，可以讓分子和細胞器在細胞內(nèi)移動。這種細胞內(nèi)運動通常涉及細胞的細胞骨架，它由兩種不同類型的纖維組成:大微管和小肌動蛋白絲。
研究人員想要研究一種植物特有的能夠結(jié)合微管和肌動蛋白細絲的動力蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒有病原體感染的情況下，其中一種驅(qū)動蛋白KIS1的過度表達誘導(dǎo)基質(zhì)形成。當(dāng)研究人員操縱煙草和擬南芥植物，使它們不能產(chǎn)生KIS1驅(qū)動蛋白時，他們發(fā)現(xiàn)這兩種植物都不能形成基質(zhì)，它們的葉綠體也不能向細胞核遷移。這使得植物無法保護自己免受引入病原體的侵害。
葉綠體運動的秘密
為了解開微管和肌動蛋白的作用，研究人員設(shè)計了一組只能與微管結(jié)合的KIS1變異，另一組只能與肌動蛋白結(jié)合。這些變異在煙草中的表達表明，KIS1需要與微管結(jié)合才能使葉綠體形成基質(zhì)，但為了使葉綠體向細胞核移動，它還必須與肌動蛋白結(jié)合。
研究小組還想知道stromules是如何融入植物免疫系統(tǒng)的。通過使用基因操作來關(guān)閉不同的免疫信號，他們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的形成是由分子信號觸發(fā)的，并且為了形成基質(zhì)需要一個完整的免疫信號系統(tǒng)。
如果我們?nèi)コ魏我阎拿庖咝盘柣颍~綠體就會失去制造基質(zhì)的能力，這表明這些結(jié)構(gòu)是激活防御的免疫信號通路的一個組成部分，”Dinesh-Kumar說。
圖2 具有鈣調(diào)蛋白同源結(jié)構(gòu)域At5g41310的擬南芥驅(qū)動蛋白的過表達誘導(dǎo)組成型stromule的形成。
植物免疫的新發(fā)現(xiàn)
本研究首次證實植物動力蛋白直接參與植物免疫。這也是科學(xué)家們第一次發(fā)現(xiàn)一個參與葉綠體間質(zhì)生物發(fā)生的基因——kis1，這為理解葉綠體間質(zhì)的作用以及在植物免疫防御過程中葉綠體聚集在細胞核周圍的原因打開了大門。
“如果我們能在細胞水平上更好地了解葉綠體等細胞器如何幫助細胞保護自己，我們就能幫助設(shè)計出對病原體的抵抗力。”Dinesh-Kumar說。
這項研究是由美國國立衛(wèi)生研究院和美國農(nóng)業(yè)部國家食品和農(nóng)業(yè)研究所資助的。
參考資料
[1] Calponin-homology domain containing kinesin, KIS1, regulates chloroplast stromule formation and immunity
