科学家描述了植物对细菌感染不寻常的免疫反应

当你在原本健康的绿叶上看到棕色斑点时，你可能看到的是植物试图阻止细菌感染扩散的免疫反应。有些植物比其他植物更能抵抗这种感染，植物生物学家想知道原因。索尔克研究所的科学家们研究了一种名为SOBER1的植物蛋白，最近发现了一种机制，通过这种机制，植物似乎降低了自身对感染的抵抗力。

这项研究发表在2017年12月19日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上，它揭示了植物的普遍抗性，并可能为提高植物的自然免疫力或更好地遏制威胁整个农业作物的感染提供策略。

“由于杀死植物的细菌，作物产量有很大损失，”该论文的高级作者乔安妮·乔里(Joanne Chory)说。乔里是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员，索尔克植物分子和细胞生物学实验室主任，2018年获得生命科学突破奖(Breakthrough Prize in Life Sciences)。“有了这项工作，我们开始了解阻力如何起作用的潜在机制，并了解它有多普遍。”

植物对抗细菌感染的方法之一是杀死检测细菌蛋白的细胞。但是一些细菌已经进化出了一种对抗策略——通过向免疫分子中添加一种叫做乙酰基的小的、能使其失效的化学标签，注射特殊的蛋白质来抑制植物的免疫反应。这个过程叫做乙酰化。是什么使得某些植物能够抵抗这些细菌对抗措施，而另一些植物却死于感染，这还不清楚。

为了更好地理解这种病原与植物的相互作用，乔里的研究小组求助于研究充分的杂草拟南芥，特别是一种名为sober1的酶，这种酶此前曾被报道可以抑制杂草对一种名为AvrBsT的细菌蛋白质的免疫反应。虽然用免疫抑制来研究感染耐药性似乎有违直觉，但索尔克生物学家认为，这样做可能会产生有用的信息。

研究人员从确定SOBER1的氨基酸序列开始，SOBER1的氨基酸序列是构成蛋白质基本特性的特定的氨基酸序列。有趣的是，他们发现它与一种与癌症路径相关的人类酶非常相似。这种酶包含一个特殊的通道，在这个通道中，具有特定修饰类型的蛋白质可以作为酶反应的一部分被适应和切割。结果证明SOBER1可以被归类为一个被称为/水解酶的蛋白质超家族的一部分。这些酶有一个共同的核心结构，但在它们催化的化学反应中非常灵活，这些化学反应从分解脂肪到解毒的化学物质称为过氧化物。

接下来，他们使用了一种100多年前的技术——x射线晶体学来确定SOBER1的三维结构。与人类的酶类似，植物酶的隧道顶部有两个额外的氨基酸:一个在入口，一个在中间。

“当我们看到这些时，我们意识到它们必须对功能产生巨大的影响，因为它们基本上堵住了隧道，”索尔克研究所的副研究员兼第一作者马可·伯格(Marco Burger)说。

为了发现其目的可能是什么，伯格和同样是研究助理的第一作者之一比约恩威利格(Bjorn Willige)使用了不同长度的底物(酶作用的分子)，并用生物化学方法测试了它们在酶中的适应性，以及它们是否可以被切割。只有某些类型适合和切割非常短的乙酰基。这表明SOBER1是一种去乙酰基酶——一种去除乙酰基的酶。此外，研究小组还改变了SOBER1基因，从而打开了堵塞的隧道。在这种变化下，Burger和Willige设计了一种酶，这种酶对短乙酰基失去了很强的特异性，转而青睐较长的底物。

“在最初的生物化学实验中，我们使用的是已经建立的人工基质，”威利格说。“但接下来我们想看看植物会发生什么。”

为此，他们使用了烟草植物——这种植物的叶子很大，很容易处理——和一种细菌，这种细菌含有一种叫做AvrBsT的蛋白质，这种蛋白质可以引发乙酰化反应。他们在烟叶的不同区域与SOBER1和几种突变(因此是非功能性)的酶一起产生AvrBsT。

产生AvrBsT的叶片上有褐色的死组织块，表明AvrBsT启动了细胞死亡程序，以抑制病原体的系统性传播。与SOBER1一起产生AvrBsT的叶片看起来很健康，说明SOBER1逆转了AvrBsT的作用。引人注目的是，突变的SOBER1基因带有一个开放的隧道，无法阻止组织死亡。研究人员由此得出结论，去乙酰化一定是导致植物免疫反应抑制的潜在化学反应。

烟草试验支持SOBER1是一种去乙酰酶的观点，它可以去除细菌蛋白添加的乙酰基。如果没有乙酰基组标记蛋白质，植物就无法识别它们是外来的，因此也就无法产生杀死细胞的免疫反应。叶子看起来更健康，因为细胞没有死亡。

乔里说:“‘清醒’的功能令人惊讶，因为它能让受感染的组织存活，这让植物处于危险之中。”乔里还担任索尔克大学(Salk)植物生物学教授霍华德H.纽曼(Howard H. and Maryam R. Newman)和玛丽亚姆R.纽曼(Maryam R. Newman)的主席。“但我们才刚刚开始理解这些类型的机制，在某些情况下，SOBER1的行动很可能是有益的。”