Science Advances：葉綠體的作用不僅僅是光合作用！免疫防御中隱藏的玩家
摘要：由加州大學戴維斯分校的植物生物學家領導的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
科學家們早就知道葉綠體可以幫助植物將太陽能轉化為食物，但由加州大學戴維斯分校的植物生物學家領導的一項新研究表明，葉綠體對于植物免疫病毒和細菌病原體也是必不可少的。
葉綠體通常是球形的，但有一小部分會改變形狀，發出管狀的突起，稱為“stromules基質”。一個多世紀前首次觀察到stromules，但它的生物學功能至今仍是個謎。
先前的研究表明，當植物檢測到感染時，葉綠體會產生更多的stromules。stromules有助于葉綠體聚集在細胞核周圍，并作為通道將葉綠體的親防御信號輸送到細胞核。盡管有這些發現，研究人員還不能確定stromules在免疫中的作用，因為沒有發現與stromules形成有關的基因。
在這項新研究中，植物生物學系的savthramma Dinesh-Kumar教授和研究生Nathan Meier及其同事發現了一種參與免疫過程中基質生物發生的關鍵蛋白質。他們的研究結果發表在10月25日的《科學進展》雜志上。
圖1 含有驅動蛋白KIS1的Calponin同源結構域調節葉綠體基質的形成和免疫
免疫防御中隱藏的玩家
為了測試基質在免疫中的作用，研究人員需要關閉它們，然后觀察沒有基質的植物細胞在面對病原體時的表現。然而，在不知道哪些基因與基質的產生有關的情況下，研究人員沒有辦法知道應該關閉哪些基因。
為了克服這個障礙，研究人員轉向了運動蛋白，這種蛋白質的功能就像微小的馬達，可以讓分子和細胞器在細胞內移動。這種細胞內運動通常涉及細胞的細胞骨架，它由兩種不同類型的纖維組成:大微管和小肌動蛋白絲。
研究人員想要研究一種植物特有的能夠結合微管和肌動蛋白細絲的動力蛋白。研究人員發現，在沒有病原體感染的情況下，其中一種驅動蛋白KIS1的過度表達誘導基質形成。當研究人員操縱煙草和擬南芥植物，使它們不能產生KIS1驅動蛋白時，他們發現這兩種植物都不能形成基質，它們的葉綠體也不能向細胞核遷移。這使得植物無法保護自己免受引入病原體的侵害。
葉綠體運動的秘密
為了解開微管和肌動蛋白的作用，研究人員設計了一組只能與微管結合的KIS1變異，另一組只能與肌動蛋白結合。這些變異在煙草中的表達表明，KIS1需要與微管結合才能使葉綠體形成基質，但為了使葉綠體向細胞核移動，它還必須與肌動蛋白結合。
研究小組還想知道stromules是如何融入植物免疫系統的。通過使用基因操作來關閉不同的免疫信號，他們發現基質的形成是由分子信號觸發的，并且為了形成基質需要一個完整的免疫信號系統。
如果我們去除任何已知的免疫信號基因，葉綠體就會失去制造基質的能力，這表明這些結構是激活防御的免疫信號通路的一個組成部分，”Dinesh-Kumar說。
圖2 具有鈣調蛋白同源結構域At5g41310的擬南芥驅動蛋白的過表達誘導組成型stromule的形成。
植物免疫的新發現
本研究首次證實植物動力蛋白直接參與植物免疫。這也是科學家們第一次發現一個參與葉綠體間質生物發生的基因——kis1，這為理解葉綠體間質的作用以及在植物免疫防御過程中葉綠體聚集在細胞核周圍的原因打開了大門。
“如果我們能在細胞水平上更好地了解葉綠體等細胞器如何幫助細胞保護自己，我們就能幫助設計出對病原體的抵抗力。”Dinesh-Kumar說。
這項研究是由美國國立衛生研究院和美國農業部國家食品和農業研究所資助的。
參考資料
[1] Calponin-homology domain containing kinesin, KIS1, regulates chloroplast stromule formation and immunity
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