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中国科学:生命科学

评述北京师范大学生命科学学院专辑
微丝骨架调控植物免疫机制的研究进展
王冰肖,李杰婕*
北京师范大学生命科学学院抗性基因资源与分子发育北京市重点实验室,北京100875
*联系人,E-mail:******@
收稿日期:2022-05-25;接受日期:2022-06-15
摘要植物病害是威胁农业生产的重要因素之一,
的抵抗依赖于自身的先天免疫系统(plantinnateimmunity),主要包括分子模式触发免疫(pattern-triggeredimmu-
nity,PTI)和效应因子触发免疫(effector-triggeredimmunity,ETI),微丝骨架在植物免疫中扮演
重要角色,其通过自身动态重排来应对病原微生物的侵染,
介绍了植菌互作过程中的微丝骨架动态、参与调控植物免疫的微丝结合蛋白、调控微丝骨架的上游免疫信号以
及微丝骨架动态在植物免疫中的生物学功能等的相关研究,并对微丝调控植物免疫的未来研究方向提出了展望.
关键词植物免疫,微丝骨架,动态重组,微丝结合蛋白
,了解反应,
植物免疫机制对提高植物的抗病性以及保障粮食安全因(R基因)编码包含NB-LRR结构域(nucleotide-binding
)的R蛋白来识别这些效
菌,在与病原菌的斗争过程中,植物不断地完善先天应因子,从而激活另外一个层次的免疫反应,即效应因
(effector-triggeredimmunity,ETI).
时,定位在膜上的模式识别受体(patternrecognitionre-ETI往往伴随着植物激素水杨酸(salicylicacid,SA)的
ceptor,PRR)感知病原菌相关分子模式MAMPs(mi-积累和侵染位点的超敏反应(hypersensitiveresponse,
crobe-associatedmolecularpatterns),从而激活先天免HR),进一步激活邻近植物细胞的系统获得性抗性
疫的第一个层次,即模式触发免疫(pattern-triggered(systemicacquiredresistance,SAR)[1,2].
immunity,PTI)反应,引发的生理响应包括钙离子内植物细胞骨架由微丝(actinfilament)和微管(mi-
流、活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)的爆发、磷crotubule),微丝又称肌动蛋白微纤
脂酸(phosphatidicacid,PA)的积累、防御基因的表丝(filamentousactin,F-actin),它是由球状肌动蛋白
达、气孔关闭、(globularactin,G-actin)聚合成的直径约为7nm的双股
期斗争过程中,一些病原菌可以分泌效应蛋白(effec-
tor)到植物细胞间隙或植物细胞内,从而干扰PTI免疫动中,在细胞分裂、囊泡运输、细胞器的运动及空间
引用格式:王冰肖,:生命科学,2022,52
WangBX,(inChinese).SciSinVitae,2022,52,doi:-2022-0170
©2022《中国科学》
王冰肖等:微丝骨架调控植物免疫机制的研究进展
分布、细胞壁合成、
,有研究表明微丝骨架是抗病过程
(1)
中的重要组分,是植物免疫过程中的信号转导平台,破
[3,4]方式不同,细菌无法进入宿主细胞,只能通过气孔或受

损的组织进入细胞间隙进行定殖[14].丁香假单胞菌
绍了植物免疫过程中的微丝骨架动态变化,参与调控
植物免疫的微丝结合蛋白、(Pst
DC3000)是一种模式致病细菌,属于革兰氏阴性菌,可
信号,以及微丝骨架在植物免疫过程中的生物学功能,
以通过Ⅲ型分泌系统(typeⅢsecretionsystem,T3SS)
并对今后该领域的研究方向提出展望.
,拟南芥(Arabi-
dopsisthaliana)叶片铺板细胞周质微丝在DC3000侵染
1植物免疫过程中的微丝骨架动态6h时出现快速聚合的现象,Ⅲ型分
泌系统缺陷菌株hrpH处理时可以导致类似的微丝重
微丝骨架在植物免疫中发挥正向调节作用,积极排,说明该过程不需要Ⅲ型分泌系统以及效应因子的
响应病原菌信号并迅速改变其排列方式来抵抗病原菌参与[15].同时,用多种病原模式分子MAMPs,如细菌
[5]
,或真菌模式分子chitin等,对铺
板细胞处理均可以模拟出相似的微丝动态变化,细胞

内微丝密度在几分钟内大量增加,速度(5~15min)与
真菌在植物表面形成附着胞(appressorium)结构,DC3000处理相比更快[5].以上研究表明,微丝丰度增
分泌黏液并借助其产生的侵染丝穿透植物表面入侵到加是一类新的、保守的PTI免疫反应(图1).进一步通
细胞内[6].植物微丝骨架可通过重排来抵抗真菌的入过对单根微丝动态参数分析发现,elf26和chitin处理后
,在大麦(HordeumvulgareL.)受豌豆白粉病单根微丝的寿命延长,长度增加,而单根微丝被切割的
菌(Erysiphepisi)侵染时,微丝在侵染位点聚集成束,由频率显著下降,这些单根微丝的动态变化共同促成了
[16].并且,用微丝解聚药剂LatB(la-
A(cytochalasinA)破坏大麦细胞中的微丝后,真菌的侵trunculinB)抑制微丝聚合时,将增加植株对病原细菌
染效率显著增加[7].当用玻璃针轻刺细胞模拟真菌入的易感性[15].
侵时,辐射状微丝束在针刺处形成,而当解除这种机(2)
械刺激后,该微丝结构随之消失[8],因此推测植物微丝现,ETI免疫反应中多种病原菌效应因子以微丝骨架为
骨架在真菌入侵位点聚集可能是由真菌入侵细胞表面主要靶点来阻碍植物免疫防御反应[4].例如,丁香假单
,当用不能胞菌()的效应因子
穿透细胞的稻瘟病菌(Magnaporthegrisea)突变体HopW1进入植物体内后直接破坏微丝骨架,进而抑制
Mps1处理细胞时,依然可以引起微丝重排的防御反囊泡运输过程[17].野油菜黄单胞菌(Xanthomonascam-
,(Xcc))的效应因子XopR通过其无
学信号而不是机械力引起的[9].研究发现,微丝在真菌序结构(intrinsicallydisorderedregions,IDRs)形成凝聚
Bgh入侵位点的聚集需要肌球蛋白myosinXI的参与,体,
且放射状微丝束的形成有利于细胞器和囊泡向侵入位小剂量的XopR可识别并招募微丝成核因子formin,使
点的运输,增强植物细胞对病原真菌侵入的抵抗能宿主迅速产生大量微丝,然而随着侵染时间的延长,
力[10].此外,防御相关转运蛋白PEN3(penetrationresis-XopR的累积量增加,XopR锁住大量formin从而抑制
tance3)在Bgh入侵位点的聚集同样也依赖于微丝[11].,XopR又通过一小
由此推测,微丝骨架在真菌入侵位点的动态重组现象段能与G-actin结合的序列,来促进微丝交联成束,借
是一种广泛而保守的细胞反应,是抗菌物质向入侵位助这段序列XopR与微丝解聚因子ADF竞争结合G-ac-
点极性运输的轨道[12,13].tin,继而影响ADF解聚微丝,最终导致微丝大量成束并
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图1植物PTI过程中微丝骨架动态重排的分子调控机制示意图.①植物免疫模式识别受体(FLS2,EFR,CERK1/LYK5)识别
相应的MAMP(flg22,elf26,chitin),激活PTI免疫反应;②flg22诱导BIK1磷酸化并激活RBOHD产生活性氧ROS,ROS通过抑制
微丝封端蛋白CP的活性,从而促进微丝组装[31];③flg22抑制profilin3形成多聚体,降低profilin3与formin的亲和性从而释放
formin,促进微丝聚合[33];④flg22和elf26处理后导致formin在膜上聚集[34,35];⑤,⑥ADF4仅参与elf26信号通路,而ADF1则既
参与elf26信号通路又参与chitin信号通路;在这个过程中ADF切割微丝的活性被抑制,微丝周转速度的降低使得微丝更加稳
定,微丝密度增加[23];⑦elf26,chitin激活PLD-PA信号通路,PA与CP结合抑制CP活性,导致微丝快速聚合[16];⑧在气孔免疫
过程中,flg22诱导MPK3/6对VLN3的磷酸化,增强VLN3切割微丝的能力,促进保卫细胞微丝重排从而激活气孔的关闭[43];⑨
MAMPs处理后铺板细胞周质微丝密度增加[5,15]
Figure1Molecularmechanismunderlyingactinarrayrearrangementduringplantpattern-triggeredimmunity.①Recognitionofmicrobe-associated
molecularpatterns(MAMPs)(flg22,elf26,andchitin)bycognateimmunereceptors(FLS2,EFR,andCERK1/LYK5,respectively)activatespattern-
triggeredimmunity(PTI).②Uponstimulationwithflg22,BIK1phosphorylatesRBOHDtoproducereactiveoxygenspecies(ROS).Theincreased
ROSlevelinhibitsthebarbedendcappingactivityofcappingprotein(CP),therebyleadingtoenhancedactinpolymerization[31].③Profilin3can
oligomerizeviaanintrinsicallydisorderedregionatitsNterminus,whichinhibitsformin-
degradationofprofilin3,leadingtoactinassemblyregulatedbyformin[33].④Oligomerizationofforminonplasmamembraneoccursinresponseto
flg22andelf26[34,35].⑤–⑥Actin-depolymerizingfactor(ADF)4isrequiredforelf26-inducedinnateimmunesignaling,althoughitisnotinvolvedin
thechitin-,,theseveringactivityofADFsis
inhibited,leadingtoareducedactinfilamentturnover[23].⑦PhospholipaseD-phosphatidicacidpathwayisactivateduponMAMPtreatment,and
phosphatidicaciddirectlybindstoCPandinhibitsCPactivity,therebytriggeringMAMP-inducedactinremodeling[16].⑧Duringflg22-induced
stomatalimmunity,VLN3isphosphorylatedbyMPK3/,facilitatingactinturnoveringuard
cellsandstomatalclosure[43].⑨ThedensityofcorticalactinarrayincreasesinresponsetodiverseMAMPs[5,15]
冻结,造成微丝动态的破坏[18].此外有研究表明,Pst统缺陷菌株PsthrcC不会导致微丝成束,表明Ⅲ型分
DC3000长时间处理(24h)可以引起微丝成束,这种现泌系统与其分泌的效应因子(type-Ⅲeffector,T3E)对
象依赖T3SS系统[15].与野生型PstDC3000相比,[19]通过反向遗传学
DC3000的28种效应因子缺陷菌株PstD28E和T3SS系手段从PstDC3000的28个效应因子中鉴定到HopG1是
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诱导微丝成束的关键效应因子,HopG1的缺失将导致小麦TaADF4和TaADF7基因通过调节微丝动态重组从
微丝成束减少、微丝密度增加,同时植物的萎黄现象而正调控对小麦条锈菌(-
)的免疫防卫反应[28,29],而TaADF3则是抵抗小麦条锈
白来提高其对宿主植物的致病性,并能激发植物的过菌侵染的负调控因子[30].如上所述,不同ADF蛋白在
,HrpZ可同时作用于微丝微管,植物免疫中的效应不同,然而这些蛋白在体内中如何
HrpZ处理烟草后导致细胞内微丝束增加,而微管的密协同调控免疫反应仍有待解答.
度降低[20].除ADF外,微丝封端蛋白CP被报道是多条免疫信
号通路的靶点,它同时正向调控植物对细菌和真菌的
抵抗[16,31]与野生型相比突变体中的微丝
2调控植物免疫的微丝结合蛋白.,CP(cpb-1)
无法响应elf26和chitin的刺激,且植株更易感病[16].比
微丝结合蛋白(actin-bindingproteins,ABPs)主要较野生型和突变体中的微丝动态差异发现,免疫过程
包括与微丝成核相关的Arp2/3复合体以及formin蛋白中微丝聚合需要释放更多可供微丝单体整合的自由正
家族;使微丝聚合的profilins,CAP(cyclaseassociated端,
protein);促进微丝封端并稳定微丝的CP(cappingpro-效应是由磷脂酶D(phospholipaseD,PLD)合成的PA所
tein);切割微丝的ADFs(actindepolymerizingfactors);,MAMPs处理激活PLD-PA信号通路,
使微丝成束的fimbrin;,PA/CP复
成束的villin蛋白家族[5,21,22].近年来研究发现,少数与合体的形成抑制CP在微丝正端定位,由此释放出更多
植物免疫相关的微丝结合蛋白,使调控免疫过程中微可供微丝单体聚合的自由正端,使得MAMP处理后微
丝动态重组的分子机制越来越清晰(图1).丝能够快速聚合[16].
拟南芥微丝解聚蛋白ADF4参与PTI免疫反应中微肌动蛋白单体结合蛋白profilin通过与G-actin以及
(polyproline,polyP)结合来协同调
切割微丝的活性受到抑制,因此,-actin结合可以抑制微丝的自
,免疫基因的激活发组装,而它又能凭借与formin的相互作用将profilin-
-actin复合体不断添加至微丝末端,从而促进微丝组
有意思的是,当用真菌模式分子chitin处理时,突变体装,在这一过程中profilin的结合和释放是保证微丝成
的表型与野生型一致,说明ADF4特异性地参与了elf26核和延伸的关键[32].因此,profiling,G-actin和formin
.
ADF1则在细菌和真菌导致的微丝重组过程中均起正研究发现,拟南芥profilin3(PRF3)突变后植株更易感
向调控的作用[23],,PRF3多聚体与
,ADF4突变体对丁香假单formin有极高的亲和力,使formin很难从PRF3/formin
胞菌DC3000效应蛋白AvrPphB的抗性降低,突变体中复合体中释放出来,因此抑制了formin与微丝的结合,
抗性基因RPS5的表达显著下降,
制,这暗示着微丝骨架动态与抗性蛋白(R蛋白)的转录诱导下,宿主降解PRF3解除该抑制,使微丝得以快速
调控相关[24,25].除了参与抗细菌的免疫反应,ADF4还聚合[33].进一步研究发现,细菌模式分子flg22处理可
负调节抗真菌的免疫过程,研究发现其突变体(adf4)对以使formin在质膜上形成纳米簇,与质膜纳米结构域
真菌病原体白粉病菌的抗性增强,进一步将ADFsub-蛋白remorin的聚集化程度在时空上高度相似,通过药
classⅠ亚家族(ADF1~ADF4)成员全部敲除后,对白粉物mβCD(methyl-β-cyclodextrin)干扰膜纳米结构域,或
病菌的抗性具有叠加效应[26],这暗示ADF同源家族在敲除拟南芥中两个高度表达的remorin蛋白(
,)可显著阻断flg22诱导的formin的聚集,
Wang等人[27]发现拟南芥ADF6通过负向调控抗病蛋白结合体外搭建人工脂质膜实验发现,remorin蛋白可逐
,,促进微丝成核,进而导致微
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丝重塑[34,35].抗[42].当用1-butanol或FIPI(5-fluoro-2-indolyldeschlor-
为了阻止丝状真菌的入侵,植物细胞在病原菌入ohalopemide)抑制PLD产生PA,elf26和chitin不会引起
侵位点以下的乳突结构中沉积多种类似细胞壁的物胞内微丝密度的增加[16].因此,与ROS信号类似,PTI
质,从而导致细胞壁加厚来增强其对真菌的防御反免疫反应中PA信号同样位于微丝骨架的上游,并且它
应[36].在这一过程中,微丝骨架帮助胞内物质向入侵能抑制微丝封端蛋白CP的活性从而使微丝密度增
[37]发现,ARP2/3复合体和成核加[31,42].
蛋白formin这两大促进微丝成核的体系协同调控植物PTI免疫反应过程包括MAPK(mitogen-associated
抵抗真菌Bgh的入侵,ARP2/3和AtFH1同时突变导致proteinkinases)和CDPK(calcium-dependentproteinki-
微丝片状结构无法形成,乳突状结构中细胞壁类似物nases),MPK3/6激酶活
的沉积受损,,性不参与铺板细胞中flg22诱导的微丝动态重排,然而

在Bgh侵染早期,formin4依赖微丝介导的囊泡运输被flg22介导的气孔关闭过程中,野生型保卫细胞中微丝
运送至侵染位点聚集,这与防御相关转运蛋白PEN3依整体动态明显变慢,而mpk3/6突变体对flg22处理却不
,flg22处理导致野
是,formin4和PEN3在膜上聚集的区域不同,而这种空生型微丝成束的频率减少且微丝切割的频率增多,而
间分布特异性的机制尚不清楚[38].mpk3/6突变体中单根微丝的成束切割均不受影响[43].
而钙离子依赖的蛋白激酶CPK3同时调控PTI以及ETI
免疫反应中微丝动态研究发现突变体在
3调控微丝动态重排的上游免疫信号.,cpk3-2Pst
DC3000处理后并没有表现出和野生型一样的微丝成

[44].
BAK1和受体样胞质激酶BIK1后,宿主微丝无法响应
的刺激微丝密度并未发生变化当敲除的
flg22,.elf264微丝动态变化的生物学功能
受体EFR和chitin的受体CERK1后,微丝同样无法响应
,微丝骨架负调控PTI中ROS的产生[31,33],当用微丝
MAMPs引起的微丝动态变化需要其对应的上游免疫特异药剂LatB解聚微丝后,flg22诱导产生的ROS增加.
受体的激活[15,16].此外,研究发现PRF3突变体中微丝对ROS的负调控效
ROS爆发是PTI中的早期标志性免疫反应,胞外果显著增强[33].然而,微丝如何调控ROS产生的机制仍
ROS通过对病原菌的毒害直接阻止病原菌的侵染,,微丝可以直接与RBOHD
在胞内,ROS是激活下游一系列免疫反应的重要信号结合,微丝动态影响RBOHD的活性[45~47].而植物中是
分子[39].在拟南芥中,,拟南芥
化激活后继而又能磷酸化定位于细胞膜上的NADPHRBOHD的活性与其在质膜的动态相关,flg22处理导
氧化酶RBOHD,从而使其激活并产生ROS[40].在致RBOHD在膜上扩散加快,且能在膜上聚集并发生
rbohD突变体背景中,微丝不能像野生型一样响应多内吞,然而这一系列变化是否需要微丝骨架的参与有
[48].
体内的微丝动态恢复至野生型水平,说明RBOHD激活细胞膜受体通过内吞进行胞内循环,可回到细胞

定位在膜上的PLD所合成的PA作为一种重要的为组成型和诱导型,非激活的FLS2通过组成型内吞再
信号分子,在植物防御过程中发挥重要作用[41].研究回到细胞表面,
发现,由PLDβ产生的PA是激活免疫过程中微丝动态flg22激活后,可携带flg22共同内吞至液泡中被降解[49].
的重要信号分子,PLDβ正向调控植物对DC3000的抵用LatB解聚微丝或用BDM抑制myosin活性均影响了
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flg22诱导的FLS2受体内吞,这些结果说明配体介导的MPK3/6对微丝结合蛋白VLN3的磷酸化调控在气孔免
FLS2内吞需要myosin和微丝骨架的参与[49,50]./
微丝调控PTI免疫反应中胼胝质沉积过程,与野生fragmin蛋白质超家族,是一类能与钙离子结合的微丝
型相比,adf4和cap-1突变体中MAMPs引起的胼胝质的结合蛋白[54],在flg22刺激后,VLN3被防御响应激酶
沉积明显减少[16,23],然而微丝对胼胝质沉积的调控机MPK3和MPK6迅速磷酸化,该磷酸化调控使得VLN3
制仍不得而知,那么微丝是否有可能介导与胼胝质沉切割微丝的能力显著增强,这一调控机制有利于促进
积相关的蛋白到膜上的运输,以及相关蛋白的胞吞胞保卫细胞中的微丝周转和重排,从而诱发气孔关闭[43].

关基因的表达例如烟草中用细胞松弛素
,,(cytochala-5展望
sin)解聚微丝,防御相关基因PR1和PR2表达上调,表明
植物感知微丝的动态变化从而触发防御反应[51],提示综上所述,微丝骨架的重塑是植菌互作过程中的
核微丝以及核微丝结合蛋白可能参与调控防御基因的标志性事件,然而,人们对于其潜在的分子调控机制
,:虽
表达,这为探索核微丝调控植物免疫的研究提供了然越来越多的微丝结合蛋白被证实参与调节植物免
线索[25].疫,但新的微丝调节蛋白及其免疫调控机制仍有待进
,PA和激酶信号外,是否还有其他
特有结构,是植物与外界进行气体交换的门户,影响植能够调节微丝动态的上游免疫信号?例如微丝结合蛋
物的光合、呼吸、+调控,这是否暗示着Ca2+
,植物可信号也可以调节微丝骨架?除VLN3和ADF4外,是否
以通过主动关闭气孔来抵抗病原菌的侵染,这一过程还有其他微丝结合蛋白是MPK和CPK激酶的底物?微
称为气孔免疫,,是否存在泛素
究表明,、乙酰化等其他转录后修饰机制,这些修饰方式对
气孔在打开和关闭的动态过程中微丝发生解聚,在维蛋白的生化功能有什么影响?在植物免疫中有什么样
,微丝的的生物学功能?是否有更多能够调控宿主微丝骨架的
,气孔在病原菌效应因子未被发掘?他们的靶点是什么?又如
关闭和打开的过程中伴随着微丝骨架的解聚与重排,何通过调控微丝骨架动态来阻断免疫信号和宿主防御
推测微丝的这种动态变化可能参与调节气孔运动中液的?微丝骨架的动态影响一系列免疫反应的激活,如
泡的体积、数量、膨压以及液泡膜离子通道[52].病原ROS的产生、胼胝质的沉