植物免疫反应研究进展

摘要：植物在与病原微生物共同进化过程中形成了复杂的免疫防卫体系。 植物的先天免疫系

统可大致分为两个层面 :PTI 和 ETI 。病原物相关分子模式（ PAMPs）诱导的免疫反应 PTI

是植物限制病原菌增殖的第一层反应，效益分子（ effectors）引发的免疫反应 ETI 是植物的

第二层防卫反应。 本文主要对植物与病原物之间的相互作用以及植物的免疫反应作用机制进

行了综述，为进一步广泛地研究植物与病原微生物间的相互作用提供了便利条件。

关键词： 植物免疫；机制； PTI ；ETI

植物在长期进化过程中形成了多种形式的抗性，与动物可通过位移来避免侵染所不同的

是，植物几乎不能发生移动， 只有通过启动内部免疫系统来克服侵染， 植物的先天免疫是适

应的结果是同其他生物协同进化的结果。植物模式识别受体 (pattern recognition receptors)识

别病原物模式分子 (pathogen associated molecular patterns, PAMPs), 激活体内信号途径，诱导

防 卫 反应 , 限 制 病 原物 的 入侵 , 这种 抗 性称 为 病原 物模 式 分子 引 发的 免 疫反 应

(PAMP-triggered immunity, PTI) [1] 。为了成功侵染植物，病原微生物进化了效应子 (effector)

蛋白来抑制病原物模式分子引发的免疫反应。同时，植物进化了 R 基因来监控、识别效应

子, 引起细胞过敏性坏死 (hypersensitive response, HR)，限制病原物的入侵， 这种抗性叫效应

[2]

分子引发的免疫反应 (effector-triggered immunity, ETI)

。

1 病原物模式分子引发的免疫反应

1.1 植物的 PAMPs

PAMPs 是病原微生物表面存在的一些保守分子。 因为这些分子不是病原微生物所特有

的，而是广泛存在于微生物中，它们也被称为微生物相关分子模式

（Microbe-associated molecular pattern, MAMPs ）。目前在植物中确定的 PAMPs 有：flg22 和

elf18，csp15，以及脂多糖，还有在真菌和卵菌中的麦角固醇，几丁质和葡聚糖等。有研究

证明在水稻中发现了两个包含 LysM 结构域的真菌细胞壁激发子， LysM 结构域在原核和真

核生物中都存在， 与寡聚糖和几丁质的结合有关， 在豆科植物中克隆了两个具有 LysM 结构

域的受体蛋白激酶，是致瘤因子（ Nod-factor ）的受体，在根瘤菌和植物共生中必不可少，

这说明 PAMPs 在其它方面的功能。 在这些 PAMPs 中 flg22和 elf18的研究比较深入， Felix 等[3] 鉴定出含有 22个氨基酸保守残基的鞭毛蛋白质 flg22 在不同的植物细胞中都可作为抗性相

关反应的激发子。 EF-Tu（elongation factor Tu ）是一个在所有细菌中都存在的保守蛋白，它

具有 N 端乙酰基化的特点， 包含 EF-Tu 的前18个氨基酸以及 N 端的乙酰基的蛋白 elf18，可

以激活植物的防卫反应，可以产生氧迸发（ oxidative burst ）、乙烯增加和对后来接种病原菌

的抗性。

1.2 植物体内对 PAMPs 的识别因子

对于 PAMPs/MAMPs 在植物体内的识别因子称为模式识别受体（ pattern-recognition

receptors，PRRs），这类受体的分离比较困难，因为不同的受体特异的识别 PAMPs，而且目

前在植物中鉴定的 PAMPs 较少，在拟南芥中利用突变体成功分离了 flg22 和 EF-Tu 的受体。

利用 flg22对植物生长有抑制作用的特点 [4] ，Boller 等从大量的 EMS 突变体中筛选对 flg22

不敏感的突变体，得到了 3个突变体 fls2-0、 fls2-17 和 fls2-24 ，然后通过图位克隆策略分离

克隆了这个基因，命名为 FLS2，该基因编码 1173个氨基酸， 129 kDa。蛋白质中有四个保守

结构域， 1-23是一个信号肽序列， 815-831是单跨膜区， 88-745为胞外的 LRR 区，870–1150

是一个蛋白激酶区， 属于一个受体蛋白激酶， 并且发现 EMS 的突变体的突变位点在 LRR 区

和激酶区都有发生，这说明 LRR 区和激酶区对其发挥作用都很重要 [5] 。在对 FLS2突变体的

处理中发现突变植株对 flg22 没有反应但对细菌的总蛋白有反应，这说明在植物体内还存在

其它的反应途径。 EFR（EF-Tu receptor）是 EF-Tu 的受体，也编码一个丝 /苏氨酸受体蛋白

激酶，长 1031个氨基酸，大小为 113 kDa，96-606 编码 LRR 区，712-1000为激酶区。同时还

发现 efr 植株对农杆菌的侵染比较敏感， 并且表现为一种高转化效率， 这说明植物的 PAMPs

[6]

诱导的这种反应会降低农杆菌的转化效率 。

1.3 PTI 反应的信号途径

植物通过 PRRs 对 PAMPs 识别后往往会快速的启动先天免疫反应来抵制病源菌的进一步

入侵，在这个反应的效应究竟是哪些基因在作用，在 FLS2基因克隆以后通过芯片分析鉴定

了一条抗病信号路径， FLS2调控的完整的 MAPK 信号途径 : MEKK1, MKK4/MKK5 ，

MPK3/MPK6 和 WRKY22/WRKY29 [7] ；同时在分析拟南介对 elf18 的反应时发现，用 flg22

和 elf18处理后诱导表达谱很相似，这说明二者利用相似的信号传导路径来启动先天免疫反

应。FLS2蛋白质结构和与动物中的 TLR（Toll like receptor ）同源程度很高，而动物中 TLRs

在对动物 PAMPs 的识别中起重要作用， TLR5 是对鞭毛蛋白识别的受体，而 FLS2也是一个

鞭毛蛋白保守肽 fls22的受体，这说明在动物和植物中先天免疫反应有着保守性，并且动物

TLRs 的信号传导与 FLS2的传递链也有着惊人的相似， TLRs 通过 MyD88 及 TRAF6 的信号传导，然后经由 MAPK 的磷酸化级联反应，进入到核中通过转录因子来启动免疫反应，这

说明 MAPK 在先天免疫反应中的重要作用，并且标明在长期的进化过程中先天免疫反应在

动物和植物中依然保守，植物先天免疫在植物对病源菌抑制有着重要的作用。

2 效应分子引发的免疫反应

病原微生物利用效应子攻克植物免疫系统的第一道防线后，在自然选择的压力下，植物

也进化出了能够特异性识别这些效应子的受体， 开始启动另一道免疫防线 —— 效应子触发的

免疫（ ETI） [8] 。R 基因编码的产物 R 蛋白通常定位在植物细胞内，这与它们识别相应效应

子的功能相符合。能够诱导 R 基因抗性反应的这些病原物效应子基因被称为无毒

（Avirulence ，Avr）基因。ETI 是基于 R 蛋白对 Avr 蛋白直接或间接的识别而产生的， 因

此也被称为基因对基因的抗病性 （Gene-for-gene resistance）。基因对基因 ‖假说认为对应于寄

主的每一个决定抗病性的基因 , 病原物也存在一个决定致病性的无毒基因 (Avirulence, Avr) 。

这种抗性必须在寄主 R 基因和病原物 Avr 基因同时存在并发生相互作用时才可产生 , 当在不

含相应 R 基因的寄主内 , 则Avr 起着毒性基因的功能 , 抑制防卫反应发生 ,这样的防卫反应属

于效应子引发的免疫反应抗性。 R 蛋白与 Avr 蛋白之间存在三种相互作用模式 , 分别为直接

相互作用模式、间接相互作用模式和转录调控模式。

2.1 直接作用模式

直接相互作用模式是指植物 R 基因编码受体 , 病原物 Avr 基因编码配体 , 两者直接相互

作用, 激活抗病信号 , 产生过敏性坏死 [9] 。在此模式中 , 最为典型的例证是水稻 R 基因产物

Pi-ta 与稻瘟菌 Avr 基因产物 Avr-Pita 可直接相互作用 , 二者的直接相互作用是产生抗性的基

础。Pi-ta 的 LRR 结构域突变会丧失与 AVR-Pita 的相互作用能力 , 产生感病反应。早期研究

表明亚麻抗锈病 R 蛋白 L 与亚麻锈菌 AvrL567 、拟南芥 AtRRS1-R 与互补的青枯病菌 Avr

[10-12]

基因产物 PopP2 及烟草 N 蛋白与 TMV 的 Avr 基因产物复制酶 p50 能直接结合 [13-14] 。

2.2 间接作用模式

间接相互作用模式是指 R 蛋白与 Avr 蛋白不直接发生相互作用，通过寄主的一个辅助蛋

白来发生间接相互作用。 随着研究的深入 , 越来越多的实验证据表明 , 绝大多数 R 蛋白确实

通过辅助蛋白间接地与病原物 Avr 相互作用 , 因此又提出了间接相互作用模式。 这种间接相

互作用模式是指 R 蛋白、寄主辅助蛋白及 Avr 蛋白以复合物的形式完成 R 蛋白与 Avr 蛋白

相互作用 , 进而引发过敏性坏死。用来解释这种间接相互作用模式机理的有 ―保卫 ‖模式

(guard model) 、―陷阱 ‖模式(decoy model)与―诱饵 —开关 ‖模式(bait and switch model) 。

2.2.1 “保卫 ”模式―保卫 ‖模式模式认为 , 病原物 Avr 基因基本功能是作为毒性因子攻击植物靶标 , 抑制寄

主的防卫反应 ; 病原物侵染含 R 基因的植物时 , Avr 作用于靶蛋白 , R 蛋白发现靶标被攻击 ,

―保卫 ‖靶标免受攻击 , 激活各类防卫反应 , 阻止病原物进一步侵染。 ―保卫 ‖模式很好地解释

了病原物 Avr 和植物 R 基因的生物学功能 , 即 Avr 的基本功能是作为病原物的毒性因子 , 在

病原物的侵染、 抑制寄主防卫反应过程中起重要作用 ; 而 R 蛋白的基本功能是作为监控蛋白

/保卫者保卫植物的重要组分 (被保卫者 )免受病原物的攻击和侵犯。例如来自 P. syringae 的

AvrPphB 和拟南芥 RPS5 相互作用系统的证据。 该系统研究结果表明 , AvrP-phB 是一个半

胱氨酸蛋白酶 , 它先通过自我切割活化自己 , 活化后的 AvrPphB 切割寄主 PBS1, 从而激

活 PBS1 激酶活性 , 导致寄主 R 蛋白 RPS5 活化和抗病性产生 [15] 。在该系统中 , PBS1 为

AvrPphB 的靶蛋白 , RPS5 起―保卫‖PBS1的作用。 同样， 大豆疫霉的效应因子 ,Avr3b 编码一

种分泌蛋白， 具有 ADP- 核糖/NADH 焦磷酸化酶的活性。 这种蛋白在植物的免疫反应中可作

为负调控物，破坏寄主的免疫反应 [16]。

2.2.2 陷“阱 ”模式

陷阱是指病原物效应子的假靶标 , 即靶蛋白类似物 (假靶标 ), 与真正靶蛋白的序列或结

构相似。假靶标的功能是使 Avr 误把假靶标作为靶标蛋白进行识别与修饰 , 引发 R 蛋白介

导的 HR;在不含 R 基因的植物中 , 假靶标对致病性与抗病性没有影响。 假靶标的产生是自然

选择的结果 , 即当具有功能的 R 基因存在时 , 自然选择使保卫蛋白与效应子结合以增强对病

原物的识别。 在功能性 R 基因不存在时 , 保卫蛋白倾向于减少与效应蛋白的结合以避免被效

应蛋白监测及修饰 [17]。由此可以推断 , 假靶标在植物体内种类比较多。 ―陷阱 ‖模式与 ―保

卫 ‖ 模式的最大区别在于解释了不含 R 基因的植物中假靶标与病原物的致病性无关这一现

象.

辣椒与十字花科蔬菜黑腐病菌的相互作用系统中 , 转录因子型效应子 AvrBs3, 通过结

合 UPA20 (up-regulated by AvrBs3) 基因启动子区的一段特殊顺式作用元件 , 诱导 UPA20 基

因表达来促进细胞增生 , 从而减弱植物的抗病性 [18]。植物为了避免侵染 ,形成了 R 基因雇佣

感病基因的启动子 ( 启动子相当于陷阱 ), 一旦有效应子进入 ,就会诱发 R 基因表达。

2.2.3 诱“饵 —开关 ”模式

―诱饵 —开关 ‖模式认为植物利用诱饵来误导病原物是一个非常普遍的机制。 植物识别病

原物的过程分为两步 , 首先诱饵 ( 辅助蛋白 ) 与 Avr 相互作用 , 从而引发过敏性坏死。该模

式存在的前提是 R 蛋白须存在两方面的功能 :1、N 末端能与辅助蛋白 ( 即保卫模式中的保卫

蛋白)相互作用； 2、LRR 结构域能与 Avr 相互作用 [19] 。其作用过程为 :在没有 Avr 时, R 蛋白