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科学家发现植物的气孔免疫机制 有助于抗病作物的工程化育种
来源:生物通 发布时间:2020-09-27

和人类一样,植物保护自己免受病原体的侵害。在苏黎世大学大学教授Cyril Zipfel领导下的一个国际小组现在发现了植物免疫系统门控:钙通道在与细菌等微生物接触时触发气孔关闭。这种天生的防御机制有助于培育对病原体有抵抗力的作物。

每一片植物的叶子上都有数百个小孔,可以与环境进行气体交换。通过吸入二氧化碳、释放氧气和水蒸气,这些气孔对光合作用、植物的生存以及最终地球上所有生命都至关重要。开口的大小是动态控制的,以使植物适应变化的条件,如阳光,干旱和雨水。打开和关闭是通过膨胀和收缩两个所谓的保卫细胞,形成一个环状的边界周围的毛孔。

植物可以自卫

植物研究人员早就知道,当叶子遇到潜在的致病微生物时,它们也会封死舱口。这种反应是植物固有免疫系统的一部分:植物细胞表面的受体识别微生物的典型结构,如细菌鞭毛的一部分。这会导致一系列反应,最终阻止微生物进入和繁殖。其中一种反应是气孔关闭,这相当于关闭了病原体的大门。

然而,这种快速的钙离子进入细胞的机制在很大程度上是由钙离子引起的。苏黎世大学分子和细胞植物生理学教授Cyril Zipfel说:“介导这种快速钙运动的通道的身份仍然是未知的,并且长期困扰着研究人员。”经过六年的研究,他们的研究填补了这一空白,并确定了模式植物拟南芥中相关的钙通道。

微生物触发通道开放

决定性的线索是,已鉴定的通道蛋白OSCA1.3——具有迄今未知的功能——被植物免疫系统的一个重要组成部分修饰。这种修饰导致OSCA1.3通道的开放,钙离子进入保卫细胞,气孔关闭。Zipfel的团队证明,当拟南芥植物接触到细菌鞭毛的一部分时,这种反应是特别启动的,而细菌鞭毛是植物免疫系统的微生物触发器之一。

免疫反应特异性

研究人员通过引入几个基因突变来证实这一结果,这些突变破坏了OSCA1.3钙通道的功能。在这些突变的植物中,微生物的触发并没有导致毛孔的闭合。进一步的实验表明,该通道也不会被干旱和盐分,以及其他导致气孔关闭的环境因素激活。“这一发现揭示了第一个植物钙通道在气孔关闭中起作用,”Zipfel说。“有趣的是,这种通道似乎是植物免疫的特异性通道。”因此,他推测,来自同一家族的其他植物钙通道可能对干旱等其他胁迫因子有特异性反应。这将是未来研究的主题。

“很明显,这个通道参与了植物的一个重要的免疫反应,”Zipfel说。“因此,这些发现有可能有助于抗病作物的工程化育种。在病原体的实际和重大威胁下,植物可以关闭通常允许危险微生物进入其组织的大门。”


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