1月24日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊在植物區(qū)分共生與病原微生物的分子機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以A pair of LysM receptors mediates symbiosis and immunity discrimination in Marchantia為題，發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。該研究建立了植物特異識別共生微生物和病原微生物的框架。

植物根系土壤中棲息著種類繁多的微生物。它們包括能夠與植物建立互利共生關(guān)系的共生微生物以及能夠侵染植物、掠奪其營養(yǎng)的病原微生物。其中，菌根真菌可以與多數(shù)陸生植物建立共生關(guān)系，幫助植物高效地從土壤中汲取磷和氮等關(guān)鍵營養(yǎng)元素。與之相反，病原微生物卻時刻威脅著植物健康和作物產(chǎn)量。因此，植物如何精準(zhǔn)區(qū)分共生和病原微生物，成為植物-微生物互作與作物科學(xué)研究領(lǐng)域的核心科學(xué)問題之一。

前期，王二濤團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞膜定位的LysM類受體激酶能夠識別來源于有益共生微生物或有害病原微生物的信號分子，觸發(fā)相應(yīng)的共生或免疫反應(yīng)。而被子植物中LysM受體激酶的數(shù)量眾多，且這些受體之間的生物學(xué)功能存在冗余，為探討植物如何精確區(qū)分有益和有害微生物的機(jī)制帶來了諸多挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，早期陸生植物粗裂地錢基因組冗余度低、LysM受體數(shù)量少，成為研究這一科學(xué)問題的理想材料。

該研究發(fā)現(xiàn)，早期陸生植物粗裂地錢中僅存在一對LysM類受體激酶——MpaLYR和MpaCERK1，能夠精準(zhǔn)區(qū)分共生和病原微生物，并激活不同的下游信號通路。其中，MpaLYR負(fù)責(zé)識別微生物來源的信號分子，既能夠結(jié)合共生微生物的分子標(biāo)志物短鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO4/5，又能夠結(jié)合外源真菌產(chǎn)生的病原分子標(biāo)志物長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7/8，并通過與MpaCERK1形成蛋白復(fù)合體，激活相應(yīng)的共生或免疫下游信號途徑。值得注意的是，MpaLYR對病原微生物的分子標(biāo)志物長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7/8具有更高的親和力，使得植物能夠敏銳地察覺到潛在病原微生物的威脅。

研究顯示，在低磷條件下，植物釋放名為獨(dú)腳金內(nèi)酯的激素。這種激素能夠刺激菌根真菌特異分泌大量的共生分子標(biāo)志物短鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO4/CO5。這些分子被MpaLYR識別后，激發(fā)共生反應(yīng)，并抑制由外源真菌入侵帶來的長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7而引發(fā)的免疫反應(yīng)，從而維持共生與免疫的動態(tài)平衡。

為探究植物是否能夠特異的識別共生標(biāo)志分子CO4和病原特征分子CO7，該研究開展了磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，CO4處理能夠引起許多共生相關(guān)蛋白的磷酸化。而CO7處理處理后，較多與免疫相關(guān)蛋白的磷酸化水平發(fā)生變化。同時，研究發(fā)現(xiàn)，CO4和CO7處理均能增加CERK1、LYR、KIN4等蛋白的磷酸化，但磷酸化水平不一樣，暗示共生信號和免疫信號可能誘導(dǎo)不同受體復(fù)合物的組裝，導(dǎo)致共生和免疫信號的特異激活。

當(dāng)病原微生物入侵時，病原特征分子CO7/8被MpaLYR識別，觸發(fā)強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)，抵抗病原微生物的侵染。當(dāng)菌根真菌與植物接觸時，在高磷條件下，菌根真菌不分泌共生信號分子CO4/5，其細(xì)胞壁長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖引發(fā)免疫反應(yīng)，植物表現(xiàn)為防御外源微生物的侵染；在低磷條件下，植物合成并分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯，該激素可以促進(jìn)菌根真菌釋放大量的共生信號分子CO4/5。CO4/5被MpaLYR識別后，激活共生反應(yīng)，抑制其細(xì)胞壁長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7/8激發(fā)的免疫反應(yīng)。因此，MpaLYR-MpaCERK1通過識別不同長度的幾丁質(zhì)殼聚糖區(qū)分共生和病原微生物，使植物在面對不同陸地環(huán)境時既能夠通過菌根共生進(jìn)行營養(yǎng)攝取又可以保證對病原微生物的免疫抵抗。

上述研究闡明了植物MpaLYR-MpaCERK1復(fù)合物分辨共生與病原微生物的分子機(jī)制，為農(nóng)業(yè)病害防控和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了理論支撐。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接

MpaLYR-MpaCERK1區(qū)分共生與病原微生物的模型