Science Advances：叶绿体的作用不仅仅是光合作用！免疫防御中隐藏的玩家

来源：作者：人气：-发表时间：2023-10-27 14:29:00【大中小】

摘要：由加州大学戴维斯分校的植物生物学家领导的一项新研究表明，叶绿体对于植物免疫病毒和细菌病原体也是必不可少的。

科学家们早就知道叶绿体可以帮助植物将太阳能转化为食物，但由加州大学戴维斯分校的植物生物学家领导的一项新研究表明，叶绿体对于植物免疫病毒和细菌病原体也是必不可少的。

叶绿体通常是球形的，但有一小部分会改变形状，发出管状的突起，称为“stromules基质”。一个多世纪前首次观察到stromules，但它的生物学功能至今仍是个谜。

先前的研究表明，当植物检测到感染时，叶绿体会产生更多的stromules。stromules有助于叶绿体聚集在细胞核周围，并作为通道将叶绿体的亲防御信号输送到细胞核。尽管有这些发现，研究人员还不能确定stromules在免疫中的作用，因为没有发现与stromules形成有关的基因。

在这项新研究中，植物生物学系的savthramma Dinesh-Kumar教授和研究生Nathan Meier及其同事发现了一种参与免疫过程中基质生物发生的关键蛋白质。他们的研究结果发表在10月25日的《科学进展》杂志上。

图1 含有驱动蛋白KIS1的Calponin同源结构域调节叶绿体基质的形成和免疫

免疫防御中隐藏的玩家

为了测试基质在免疫中的作用，研究人员需要关闭它们，然后观察没有基质的植物细胞在面对病原体时的表现。然而，在不知道哪些基因与基质的产生有关的情况下，研究人员没有办法知道应该关闭哪些基因。

为了克服这个障碍，研究人员转向了运动蛋白，这种蛋白质的功能就像微小的马达，可以让分子和细胞器在细胞内移动。这种细胞内运动通常涉及细胞的细胞骨架，它由两种不同类型的纤维组成:大微管和小肌动蛋白丝。

研究人员想要研究一种植物特有的能够结合微管和肌动蛋白细丝的动力蛋白。研究人员发现，在没有病原体感染的情况下，其中一种驱动蛋白KIS1的过度表达诱导基质形成。当研究人员操纵烟草和拟南芥植物，使它们不能产生KIS1驱动蛋白时，他们发现这两种植物都不能形成基质，它们的叶绿体也不能向细胞核迁移。这使得植物无法保护自己免受引入病原体的侵害。

叶绿体运动的秘密

为了解开微管和肌动蛋白的作用，研究人员设计了一组只能与微管结合的KIS1变异，另一组只能与肌动蛋白结合。这些变异在烟草中的表达表明，KIS1需要与微管结合才能使叶绿体形成基质，但为了使叶绿体向细胞核移动，它还必须与肌动蛋白结合。

研究小组还想知道stromules是如何融入植物免疫系统的。通过使用基因操作来关闭不同的免疫信号，他们发现基质的形成是由分子信号触发的，并且为了形成基质需要一个完整的免疫信号系统。

如果我们去除任何已知的免疫信号基因，叶绿体就会失去制造基质的能力，这表明这些结构是激活防御的免疫信号通路的一个组成部分，”Dinesh-Kumar说。

图2 具有钙调蛋白同源结构域At5g41310的拟南芥驱动蛋白的过表达诱导组成型stromule的形成。

植物免疫的新发现

本研究首次证实植物动力蛋白直接参与植物免疫。这也是科学家们第一次发现一个参与叶绿体间质生物发生的基因——kis1，这为理解叶绿体间质的作用以及在植物免疫防御过程中叶绿体聚集在细胞核周围的原因打开了大门。

“如果我们能在细胞水平上更好地了解叶绿体等细胞器如何帮助细胞保护自己，我们就能帮助设计出对病原体的抵抗力。”Dinesh-Kumar说。

这项研究是由美国国立卫生研究院和美国农业部国家食品和农业研究所资助的。

参考资料

[1] Calponin-homology domain containing kinesin, KIS1, regulates chloroplast stromule formation and immunity


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