像人类和动物一样，植物在数百万年的时间里进化出复杂的免疫系统来抵御入侵的病原体。但与许多动物不同的是，植物缺乏抗体赋予的适应性免疫系统。这意味着每个植物细胞必须自我抵御所有潜在的病原体---这是一项艰巨的任务。
隐藏在每个植物细胞内的由疾病抗性基因编码的蛋白复合物就像睡眠的军队，当检测到真菌或细菌等有害的病原体时就会醒来并激活防御。这些基因编码的性状被农业生物技术专家用于产生抗病作物，而且植物生物学家正在努力阐明它们如何发挥作用的各个方面---其中的大部分仍然是未知的。
在一项新的研究中，一组研究人员阐明了植物免疫反应的一个关键方面。他们的发现揭示了植物抗性蛋白如何引发局部的细胞死亡，这可能导致人们在下一代作物中开发出进行抗病性改造的新策略。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“TIR domains of plant immune receptors are NAD+-cleaving enzymes that promote cell death”。论文通讯作者为科罗拉多州立大学生物学助理教授Marc Nishimura、北卡罗来纳大学教堂山分校的Jeff Dangl和华盛顿大学医学院的Jeffrey Milbrandt。
图片来自Marc Nishimura/Colorado State University。
Nishimura与其同事们一起鉴定出植物抗性蛋白TIR的一种鲜为人知的结构域（即TIR结构域）的作用机制。他们发现在植物免疫反应期间，这种TIR结构域是一种降解NAD+分子的酶，其中NAD+分子对所有生物的新陈代谢至关重要。通过切割NAD +，植物自我破坏受感染的细胞，同时不会伤害其他未被感染的细胞。
科学家们此前曾猜测植物TIR结构域可能像物理支架那样发挥作用，构建一种附着在细胞膜上的结构，并将其他蛋白招募到这个区域以启动免疫反应。这就是这些结构域在动物细胞（包括人类）中的作用。
但是在2017年，Nishimura在华盛顿大学医学院的合作者在一种名为SARM1的蛋白中观察到一种不寻常的动物TIR结构域，它不同于动物细胞中的其他TIR信号支架。相反，它作为一种酶发挥作用。Nishimura及其同事们开始探究这种结构域是否在植物免疫系统中发挥着具有类似的功能。
在这项新的研究中，Nishimura及其同事们发现TIR结构域在植物免疫反应中的作用确实与SARM1中功能上更不寻常的这种动物TIR结构域的作用相关。他们发现植物TIR结构域本身就是一种切割NAD+的酶，而不是作为招募其他成分的结构支架起作用。但是还存在一个重要的区别。虽然SARM1中的动物TIR结构域通过消耗NAD+水平来杀死细胞，但植物TIR结构域似乎切割NAD+来产生信号分子。这种并未在动物细胞中观察到的信号分子在结构上一种与称为环状ADP-核糖（cyclic ADP-Ribose）的经典信号分子有关。他们如今正在努力了解他们观察到的这种新产物如何影响细胞死亡和抗病能力。
Nishimura说，“25年来，我们并不知道TIR结构域在植物中的作用。因此，这些结果对于推进我们对TIR结构域实际上如何触发免疫反应的理解非常有意义。”
Nishimura说，揭示植物免疫反应中的单个生化途径对于如何操纵植物系统来保护粮食作物至关重要，特别是当新的病原体出现和全球粮食供应变得脆弱时。
他说，“有希望的是，真正在机制上理解免疫受体将有助于我们在保留功能的同时转移现有的受体，最终让我们理性地设计新的受体来识别新出现的病原体。”
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