王国梁/王旭丽团队：线粒体在植物免疫中的功能

2022-08-08 12:00

上海

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

线粒体作为细胞进行有氧呼吸的主要场所，在植物免疫中亦发挥重要作用。上世纪七十年代美国南方玉米叶枯病（southern corn leaf blight）的大规模流行便是由于杂交玉米品系中包含一个特有的线粒体基因T-urf13后对病原真菌Bipolaris maydis易感，造成了约15%的玉米产量损失及超过10亿美元的经济损失。在植物与病原物互作中，线粒体作为免疫信号产生的关键节点介导线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species，mROS）与活性氮（reactive nitrogen species，RNS）的产生，线粒体通过发生一系列形态和功能变化，如去极化、膜通透性增加、细胞色素c（cytochrome c, cyt c）的释放、电子传递链（electron transport chain, ETC）速率改变，以及调节细胞核、叶绿体、过氧化物酶体、内质网等其它细胞组分的功能，从而影响植物细胞的代谢、ROS和激素水平以及核基因表达，参与调控细胞程序性死亡和植物免疫。

近日，俄亥俄州立大学与中国农业科学院植物保护研究所作物病原生物功能基因组研究创新团队合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science发表综述文章，系统阐述了线粒体在植物免疫中的作用以及病原菌如何靶向植物线粒体从而影响宿主的防御反应。内容包括：线粒体组成元件及动态变化在植物免疫中的作用；线粒体代谢进程在植物免疫中的功能；线粒体在激素介导免疫中的作用；线粒体在植物病原相关分子模式触发的免疫与效应因子触发的免疫中的功能，以及线粒体与不同细胞组分在植物免疫中的交互调控。同时展望了植物免疫中线粒体机制研究中尚未解决的前沿科学问题，以及研究线粒体功能在完善植物免疫信号网络和在农作物抗病性改良中的意义与潜在价值。

1、线粒体结构组分参与植物免疫

线粒体作为双膜细胞器，由线粒体外膜（outer mitochondrial membrane, OMM），线粒体膜间隙（mitochondrial intermembrane space, IMS），线粒体内膜（inner mitochondrial membrane, IMM）与基质组成。线粒体膜介导物质、能量和信号的转移并对线粒体的诸多功能至关重要，包括能量产生、离子稳态、蛋白质质量控制、蛋白质输入、信号转导以及线粒体自身的裂变和融合等。

其中，OMM具有高通透性并包含大量的通道蛋白，其中电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channels, VDACs）最为常见。目前诸多植物抗病相关的研究发现VDACs参与植物免疫且与细胞死亡相关。在压力环境下，VDAC可与腺嘌呤核苷酸转运体（Adenine nucleotide translocators, ANTs）及其他线粒体外膜及内膜上的蛋白形成通透性转换孔（Permeability transition pore, PTP），进而使线粒体膜通透性增加并使cyt c释放至胞内。植物细胞死亡时可观察到Cyt c的释放，而相比于动物系统，其触发细胞死亡的具体机制尚不明确。

IMM相比于线粒体外膜通透性更低，其完整性对线粒体的功能至关重要。线粒体内膜介导线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, MMP）形成以驱动氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）的发生并产生ATP。在植物细胞中，MMP的稳定是线粒体行使正常生理功能的关键，MMP丧失导致了cyt c的释放和细胞死亡的发生。例如，MMP在拟南芥受病原细菌效应子AvrRpt2诱导产生的过敏性坏死反应（hypersensitive response, HR）中发挥重要作用，而目前对于线粒体内膜其它组分在植物免疫中的功能仍知之甚少。

此外，近期在动物系统中发现线粒体基质中的DNA与RNA在免疫响应中起到损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）的作用，近期研究中发现植物自身DNA亦起到DAMPs作用，而植物线粒体DNA与RNA是否参与其中目前还尚不清楚。

2、线粒体动态与植物免疫

线粒体是一种高度动态的细胞器，在细胞中不断改变尺寸、形状及位置。其中，线粒体的融合和分裂循环维持其质量与数量，在动物系统中，线粒体延伸增强抗病毒免疫，而线粒体破碎化具有相反效果。线粒体的融合和分裂机制相对保守，目前已知发动相关蛋白（dynamin-related proteins, DRPs）例如拟南芥AtDRP1C，AtDRP1E，AtDRP3A，AtDRP3B与水稻OsDRP1E，OsDRP3A介导线粒体分裂，其中AtDRP1E与OsDRP1E被报道参与植物细胞死亡与免疫。此外，IMM磷脂心磷脂（phospholipid cardiolipin, CL）通过稳定DRPs参与线粒体分裂。另一方面，目前仅拟南芥GTP酶AtMiro2参与线粒体融合，而其是否参与植物免疫尚不清楚。

▲图1：线粒体组分及动态变化在植物免疫中的功能

3、线粒体代谢对免疫的影响

线粒体通过TCA（tricarboxylic acid）循环、ETC与OXPHOS产生ATP，在动物系统中发现此代谢进程在多种生理反应和疾病响应中发挥作用，而在植物中知之甚少。目前已知抑制ETC后会造成电子泄露及mROS与RNS的产生，并降低MMP、促进PTP形成，导致线粒体功能紊乱，从而影响植物免疫与HR产生。

此外，植物线粒体含有一种由交替氧化酶（alternative oxidase, AOX）、NADH脱氢酶和解偶联蛋白催化的非磷酸化呼吸途径，该途径以热能形式耗散化学能以减少氧化损伤，从而维持线粒体ETC的氧化还原平衡，限制ROS的产生。其中AOX是线粒体胁迫标记基因，在植物程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD）与ROS调控中起到关键作用，植物受病原物侵染所产生的一氧化氮、水杨酸（Salicylic acid, SA）、过氧化氢等信号分子都可强烈诱导AOX的表达。

另外，植物线粒体通过超氧化物歧化酶、抗坏血酸-谷胱甘肽循环、硫氧还蛋白/过氧化还原酶系统等多种抗氧化途径维持细胞氧化还原稳态，目前已知该通路组分在免疫中也发挥作用。

▲图2：线粒体代谢参与植物免疫

4、线粒体在激素介导免疫中的功能

SA在植物与病原物互作中激活免疫并介导系统获得性抗性的产生，SA与线粒体代谢和信号有关，其可通过直接影响ETC来操纵线粒体功能，同时，线粒体组分也调控SA的合成和参与SA介导的抗病信号传递。尽管目前已知SA在线粒体介导的抗性中起到关键作用，然而其具体模式尚不清楚。此外，线粒体还被发现参与包括茉莉酸、乙烯、脱落酸等不同激素在植物免疫中的相互作用。

▲图3：线粒体在激素介导免疫中的功能

5、线粒体在PTI与ETI中的功能

诸多研究揭示了线粒体在病原相关分子模式触发的免疫（PAMP triggered immunity, PTI）与效应因子触发的免疫（Effector triggered immunity, ETI）中发挥重要作用并被病原菌效应子所靶标。值得注意的是，线粒体在植物PCD产生过程中，通过感知、整合和放大来自不同途径的信号并发挥核心作用：这些信号启动OMM破裂与PTP形成，将线粒体中组分如cyt c等释放到胞内，从而诱导细胞死亡或调控免疫响应。线粒体膜的破损还会加大对ETC反应的抑制，导致电子泄露，ATP合成减少，催化mROS与RNS的产生，从而进一步促进线粒体功能紊乱并产生更多mROS与RNS，形成一个信号自放大的循环。

▲图4：线粒体在PTI与ETI中的功能

6、线粒体与其它细胞器在植物免疫中的作用

在植物免疫中，各种细胞器相互配合介导免疫响应，例如叶绿体与线粒体协同产生ROS并介导PCD产生，此外，线粒体还通过retrograde信号通路在免疫中改变核基因的表达，包括编码线粒体、叶绿体蛋白的基因，从而参与植物免疫。

▲图5：线粒体协同其他细胞器参与植物免疫

本文参考文献（上线划动查看）

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论文作者介绍

俄亥俄州立大学王国梁教授与中国农业科学院植物保护研究所王旭丽副研究员为文章的共同通讯作者，俄亥俄州立大学/中国农业科学院博士后汪激扬与中国农业科学院博士后徐国娟为论文的共同第一作者，中国农业科学院的宁约瑟研究员为该论文的共同作者。

汪激扬博士于2018年获中国农业大学植物病理学博士学位，期间2016年至2018年在王国梁教授课题组联合培养。博士毕业后于中国农业科学院植物保护研究所/美国俄亥俄州立大学从事博士后研究工作，获得中国农业科学院博士后重点资助及优秀博士后称号，近期以优秀人才入职中国农业大学植物病理系孙文献教授团队，从事水稻抗病基因分子机理相关研究。

该论文得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助。