高温下植物免疫的 “神秘密码”：TIR 结构域如何力挽狂澜？

为解决植物 NLRs 免疫反应在高温下受抑制机制不明的问题，法国图卢兹大学的研究人员开展植物 TIR 结构域免疫信号研究，发现高温下 TIR 诱导信号稳定等结果。该研究为提升植物抗病能力提供理论依据，值得一读。

　　

在植物的微观世界里，一场关于生存的 “战争” 时刻都在上演，而植物的免疫系统就是它们对抗病原体的 “坚固防线”。其中，核苷酸结合富含亮氨酸重复序列受体（NLRs）作为免疫系统的重要 “战士”，在识别病原体和启动免疫反应中发挥着关键作用。然而，随着全球气候变暖，植物面临的环境温度不断升高，这给它们的免疫系统带来了巨大挑战。

研究发现，当温度高于植物生长的适宜范围时，植物的免疫力，尤其是 NLRs 介导的免疫反应常常会受到抑制，导致植物更容易受到病原体的侵害。但令人困惑的是，这种现象背后的分子机制却一直是个谜。而且，NLRs 家族中的 Toll / 白细胞介素 - 1 受体（TIR）结构域，虽然能够独立触发免疫信号，但在高温环境下它的具体作用和机制也尚不明确。这些未知就像一团团迷雾，笼罩着植物免疫研究领域，严重阻碍了人们对于植物如何应对气候变化的理解，也给提高植物抗病能力的研究带来了困难。为了拨开这些迷雾，深入了解植物免疫系统在高温下的变化，来自法国图卢兹大学（Universite′ de Toulouse）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Cell Reports》期刊上，论文题目是 “Downstream signaling induced by several plant Toll/interleukin-1 receptor-containing immune proteins is stable at elevated temperature” 。

研究人员通过一系列实验得出了许多重要结论。他们发现，在高温（30°C）条件下，单独由 TIR 结构域诱导的免疫信号传导依然稳定，而全长含 TIR 结构域的 NLRs（TNLs）诱导的信号传导则受到抑制。这意味着在高温时，TIR 结构域似乎有着特殊的 “耐高温本领”，能维持免疫信号的传递。同时，他们还发现不同的 RNL 成员对温度的敏感性存在差异，并且 TIR 结构域诱导的信号传导和全长 TNLs 诱导的信号传导都依赖 RNLs。这些结论就像一把把钥匙，为我们打开了理解植物在高温下免疫反应的新大门，对于在气候变化背景下提高植物的抗病能力有着至关重要的意义。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是构建转基因拟南芥（Arabidopsis thaliana）品系，通过将不同的基因导入拟南芥中，使其表达特定的蛋白，从而观察免疫反应；二是进行细胞死亡检测，通过观察植物细胞在不同条件下是否发生死亡，来判断免疫反应的强弱；三是采用免疫印迹分析技术，检测蛋白质的表达和积累情况，了解免疫信号传导过程中相关蛋白的变化；四是运用实时定量 PCR（RT-qPCR）技术，精确测定基因的表达水平，分析免疫相关基因在不同温度和处理条件下的变化规律。

下面我们来详细看看研究人员的发现。在 “细胞死亡诱导实验” 中，研究人员利用地塞米松（Dex）诱导的转基因拟南芥品系，分别让其表达全长 TNLs（如 RPS4 和 L6MHV）或相应的 TIR 结构域（和 ）。实验结果显示，在适宜温度（21°C）下，表达全长 TNLs 和 TIR 结构域的拟南芥都会出现自身免疫反应和细胞死亡现象。然而，当温度升高到 30°C 时，表达全长 TNLs 的拟南芥的自身免疫和细胞死亡反应明显减弱，而表达 TIR 结构域的拟南芥依然会出现强烈的细胞死亡症状。这表明，高温会抑制全长 TNLs 的功能，但 TIR 结构域诱导的下游信号传导在高温下却能保持稳定。

接着，研究人员进行了 “EDS1 和 SA 途径相关基因表达实验”。已知大多数 TNLs 激活免疫信号依赖 TIR 结构域完整的催化 NADase 位点以及 EDS1 蛋白。研究人员发现，在 21°C 时，无论是表达全长 TNLs 还是 TIR 结构域的拟南芥，其 EDS1 蛋白积累和相关基因（如 CBP60g 和 ICS1 ）的表达都会增加。但在 30°C 时，只有表达 TIR 结构域的拟南芥能维持这种增加的趋势，表达全长 TNLs 的拟南芥则不行。这进一步证明了高温会干扰全长 TNLs 的功能，而 TIR 结构域诱导的信号传导，包括对 EDS1 和 SA 生物合成途径相关基因的激活，在高温下依然稳定。

在研究 “RNLs 在信号传导中的作用” 时，研究人员分析了不同 RNL 亚家族突变背景下，表达 TIR 结构域或全长 TNLs 的拟南芥的免疫反应。结果发现，无论是 TIR 结构域还是全长 TNLs 诱导的信号传导都依赖 RNLs。不过，不同的 TIR 结构域对 RNL 亚家族的依赖存在差异，比如 和主要依赖 ADR1 家族，而诱导的信号传导则需要 ADR1 和 NRG1 两个家族的参与。这说明 TIR 结构域和全长 TNLs 在信号传导过程中对 RNLs 的依赖有着复杂的机制。

研究人员还对 “ADR1 和 NRG1 家族成员的温度敏感性” 进行了探究。通过分析携带特定基因的拟南芥在不同温度下的表型，他们发现 ADR1 - 介导的自身免疫表型和相关 EDS1 蛋白积累在 30°C 时会受到显著影响，而 NRG1.1介导的自身免疫表型在 21°C 和 30°C 下都能稳定存在，且能触发 EDS1 蛋白积累的增加。这表明 ADR1 和 NRG1 家族成员对温度的敏感性不同，NRG1 家族在高温下似乎更具 “稳定性”。

最后，在 “Flg22 处理对免疫信号的影响实验” 中，研究人员用 Flg22（一种 PTI 激发子）处理诱导表达 TNLs 或 TIR 结构域的拟南芥。他们发现，Flg22 处理能增强这些蛋白的积累，从而加剧免疫信号输出，但同时也发现 Flg22 会增强 Dex 诱导系统的基因表达，这提醒人们在使用 Dex + Flg22 共处理研究 PTI/ETI 增强作用时需要谨慎。

综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。它首次清晰地揭示了高温对植物 NLRs 免疫反应的影响机制，发现 TIR 结构域诱导的免疫信号传导在高温下的稳定性，为植物免疫研究领域填补了重要的知识空白。这一发现有助于科学家们更好地理解植物如何应对气候变化带来的高温挑战，为未来提高植物在高温环境下的抗病能力提供了理论基础。通过深入研究 TIR 结构域和 RNLs 的作用机制，科学家们或许能够开发出新型的植物保护策略，帮助植物在气候变化的大环境下更好地抵御病原体的侵害，保障农作物的产量和质量，守护全球的粮食安全。可以说，这项研究为植物免疫领域的发展点亮了一盏明灯，为后续的研究开辟了新的方向。