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(xiàng)新研究表明，葉綠體對(duì)于植物免疫病毒和細(xì)菌病原體也是必不可少的。
科學(xué)家們?cè)缇椭廊~綠體可以幫助植物將太陽(yáng)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(xiàng)新研究表明，葉綠體對(duì)于植物免疫病毒和細(xì)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(huì)改變形狀，發(fā)出管狀的突起，稱(chēng)為“stromules基質(zhì)”。一個(gè)多世紀(jì)前首次觀(guān)察到stromules，但它的生物學(xué)功能至今仍是個(gè)謎。
先前的研究表明，當(dāng)植物檢測(cè)到感染時(shí)，葉綠體會(huì)產(chǎn)生更多的stromules。stromules有助于葉綠體聚集在細(xì)胞核周?chē)⒆鳛橥ǖ缹⑷~綠體的親防御信號(hào)輸送到細(xì)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?yàn)闆](méi)有發(fā)現(xiàn)與stromules形成有關(guān)的基因。
在這項(xiàng)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(guò)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(jìn)展》雜志上。
圖1 含有驅(qū)動(dòng)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(cè)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(guān)察沒(méi)有基質(zhì)的植物細(xì)胞在面對(duì)病原體時(shí)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(méi)有辦法知道應(yīng)該關(guān)閉哪些基因。
為了克服這個(gè)障礙，研究人員轉(zhuǎn)向了運(yùn)動(dòng)蛋白，這種蛋白質(zhì)的功能就像微小的馬達(dá)，可以讓分子和細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)。這種細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)通常涉及細(xì)胞的細(xì)胞骨架，它由兩種不同類(lèi)型的纖維組成:大微管和小肌動(dòng)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(dòng)蛋白細(xì)絲的動(dòng)力蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有病原體感染的情況下，其中一種驅(qū)動(dòng)蛋白KIS1的過(guò)度表達(dá)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(dòng)蛋白時(shí)，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(xì)胞核遷移。這使得植物無(wú)法保護(hù)自己免受引入病原體的侵害。
葉綠體運(yùn)動(dòng)的秘密
為了解開(kāi)微管和肌動(dòng)蛋白的作用，研究人員設(shè)計(jì)了一組只能與微管結(jié)合的KIS1變異，另一組只能與肌動(dòng)蛋白結(jié)合。這些變異在煙草中的表達(dá)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(xì)胞核移動(dòng)，它還必須與肌動(dòng)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(guò)使用基因操作來(lái)關(guān)閉不同的免疫信號(hào)，他們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的形成是由分子信號(hào)觸發(fā)的，并且為了形成基質(zhì)需要一個(gè)完整的免疫信號(hào)系統(tǒng)。
如果我們?nèi)コ魏我阎拿庖咝盘?hào)基因，葉綠體就會(huì)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(hào)通路的一個(gè)組成部分，”Dinesh-Kumar說(shuō)。
圖2 具有鈣調(diào)蛋白同源結(jié)構(gòu)域At5g41310的擬南芥驅(qū)動(dòng)蛋白的過(guò)表達(dá)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(shí)植物動(dòng)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(gè)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(guò)程中葉綠體聚集在細(xì)胞核周?chē)脑虼蜷_(kāi)了大門(mén)。
“如果我們能在細(xì)胞水平上更好地了解葉綠體等細(xì)胞器如何幫助細(xì)胞保護(hù)自己，我們就能幫助設(shè)計(jì)出對(duì)病原體的抵抗力。”Dinesh-Kumar說(shuō)。
這項(xiàng)研究是由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)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(xiàng)新研究表明，葉綠體對(duì)于植物免疫病毒和細(xì)菌病原體也是必不可少的。
科學(xué)家們?cè)缇椭廊~綠體可以幫助植物將太陽(yáng)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(xiàng)新研究表明，葉綠體對(duì)于植物免疫病毒和細(xì)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(huì)改變形狀，發(fā)出管狀的突起，稱(chēng)為“stromules基質(zhì)”。一個(gè)多世紀(jì)前首次觀(guān)察到stromules，但它的生物學(xué)功能至今仍是個(gè)謎。
先前的研究表明，當(dāng)植物檢測(cè)到感染時(shí)，葉綠體會(huì)產(chǎn)生更多的stromules。stromules有助于葉綠體聚集在細(xì)胞核周?chē)⒆鳛橥ǖ缹⑷~綠體的親防御信號(hào)輸送到細(xì)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?yàn)闆](méi)有發(fā)現(xiàn)與stromules形成有關(guān)的基因。
在這項(xiàng)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(guò)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(jìn)展》雜志上。
圖1 含有驅(qū)動(dòng)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(cè)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(guān)察沒(méi)有基質(zhì)的植物細(xì)胞在面對(duì)病原體時(shí)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(méi)有辦法知道應(yīng)該關(guān)閉哪些基因。
為了克服這個(gè)障礙，研究人員轉(zhuǎn)向了運(yùn)動(dòng)蛋白，這種蛋白質(zhì)的功能就像微小的馬達(dá)，可以讓分子和細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)。這種細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)通常涉及細(xì)胞的細(xì)胞骨架，它由兩種不同類(lèi)型的纖維組成:大微管和小肌動(dòng)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(dòng)蛋白細(xì)絲的動(dòng)力蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有病原體感染的情況下，其中一種驅(qū)動(dòng)蛋白KIS1的過(guò)度表達(dá)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(dòng)蛋白時(shí)，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(xì)胞核遷移。這使得植物無(wú)法保護(hù)自己免受引入病原體的侵害。
葉綠體運(yùn)動(dòng)的秘密
為了解開(kāi)微管和肌動(dòng)蛋白的作用，研究人員設(shè)計(jì)了一組只能與微管結(jié)合的KIS1變異，另一組只能與肌動(dòng)蛋白結(jié)合。這些變異在煙草中的表達(dá)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(xì)胞核移動(dòng)，它還必須與肌動(dòng)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(guò)使用基因操作來(lái)關(guān)閉不同的免疫信號(hào)，他們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的形成是由分子信號(hào)觸發(fā)的，并且為了形成基質(zhì)需要一個(gè)完整的免疫信號(hào)系統(tǒng)。
如果我們?nèi)コ魏我阎拿庖咝盘?hào)基因，葉綠體就會(huì)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(hào)通路的一個(gè)組成部分，”Dinesh-Kumar說(shuō)。
圖2 具有鈣調(diào)蛋白同源結(jié)構(gòu)域At5g41310的擬南芥驅(qū)動(dòng)蛋白的過(guò)表達(dá)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(shí)植物動(dòng)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(gè)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(guò)程中葉綠體聚集在細(xì)胞核周?chē)脑虼蜷_(kāi)了大門(mén)。
“如果我們能在細(xì)胞水平上更好地了解葉綠體等細(xì)胞器如何幫助細(xì)胞保護(hù)自己，我們就能幫助設(shè)計(jì)出對(duì)病原體的抵抗力。”Dinesh-Kumar說(shuō)。
這項(xiàng)研究是由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)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
