Science Advances：植物中的SRF3如何平衡铁稳态和免疫防御

　　

细胞内的能量产生、血液中的氧气运输以及免疫细胞对抗感染，都依赖于铁，这种必需的矿物质通过植物从土壤中吸收进入食物链。不过，铁往往十分稀缺，而且需要铁的不仅仅是人类。

栖息在植物上及周围的微生物也需要铁。因此，植物不得不在这两方面之间寻求微妙的平衡：既要利用铁来抵御微生物的侵袭，又要保留铁以维持自身健康。

索尔克生物研究所的研究人员近日揭示了一种名为SRF3的双重功能蛋白，它既能在微生物入侵后恢复植物的铁平衡，又能确保植物的免疫反应处于恰当的水平。

这项成果于10月14日发表在《Science Advances》杂志上，为了解植物的韧性提供了重要见解，这可能会影响未来的农业活动，以便用营养丰富的农作物养活全球不断增长的人口。

共同通讯作者、索尔克生物研究所的Wolfgang Busch教授表示：“因为植物是铁进入我们食物链的主要途径，所以了解它们如何控制铁不仅对植物健康很重要，对农业和人类营养也同样重要。”

与另一位通讯作者Matthieu Pierre Platre博士一道，Busch教授长期致力于研究植物如何调控铁元素。两人曾在2022年发表论文，首次鉴定出SRF3是介导植物对微生物反应的关键因子。

SRF3存在于植物细胞表面。它牢固地锚定在细胞最外层的质膜上，能够接收环境信号。此前的研究表明，SRF3可感知铁含量并据此引导根系生长，并提示SRF3蛋白也参与营养免疫反应。

“这变得非常有趣，因为微生物和植物都在争夺土壤中有限的铁，”Busch解释说。“因此，微生物开始入侵植物并从其细胞中窃取铁，而植物则被迫防御并保护自身的铁储备。我们对这场拉锯战非常感兴趣。”

不过，在分子层面上究竟发生了什么，以及SRF3如何参与其中，一直以来都是个谜。

研究人员首先以拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为研究对象。这是一种小型开花植物，易于栽培，常被用作实验室中其他植物（包括小麦或玉米等重要农作物）的替代模型。

通过一系列实验——从标记和追踪细胞内的铁含量，到观察SRF3的运动，再到完全去除SRF3并观察其后果，他们阐明了SRF3平衡免疫防御与铁维持的分子机制。

首先，SRF3检测到入侵的微生物，并促进活性氧的生成，这些分子可用来对抗微生物。虽然活性氧有助于攻击微生物，但其生成过程会消耗细胞内的铁储备。

当细胞内铁含量下降时，SRF3开始移动：SRF3进行自身重组，获得一种名为泛素的分子标签，并被拉入细胞内。一旦SRF3进入细胞，活性氧的产生就会停止，平衡得以恢复。

“这项研究的独特之处在于，我们从单分子尺度到整个生物体层面阐明了这一机制，从而实现了其他生物系统中很少能达到的机制整合，”Platre谈道。他目前在蒙彼利埃植物科学研究所担任助理研究员。

这项研究的意义体现在两方面：首先，这些针对植物的发现可用于培育营养更丰富、抗逆性更强的作物；其次，关于表面蛋白动态的新发现可能从根本上改变科学家对细胞通讯的理解。

“未来，这些知识有望指导人们培育出抗病性强、生长良好且营养丰富的作物，”Busch说。“这也表明，植物将其细胞膜当成计算机，把环境中所有这些移动的分子转化为可操作的信号。”

未来的研究将进一步探索“膜计算机”的概念，旨在了解细胞如何整合信息。研究人员还希望鉴定出与SRF3相互作用的蛋白质和基因。通过深入了解植物如何响应环境信号，这些发现可帮助科学家培育出能够适应极端天气和土壤养分变化的作物。