叶绿体的作用不仅仅是光合作用它们也是植物免疫的关键参与者

科学家们早就知道叶绿体可以帮助植物将太阳能转化为食物，但由加州大学戴维斯分校的植物生物学家领导的一项新研究表明，叶绿体对于植物对病毒和细菌病原体的免疫力也至关重要。

叶绿体通常是球形的，但其中一小部分会改变形状并发出称为“基质”的管状突起。一个多世纪前首次观察到基质的生物学功能仍然是个谜。

先前的研究表明，当植物检测到感染时，叶绿体会产生更多的子实体。基质有助于叶绿体在细胞核周围聚集，并充当将促防御信号从叶绿体传输到细胞核的导管。尽管有这些发现，研究人员仍无法确定基质在免疫中的作用，因为尚未发现与基质形成相关的基因。

在这项新研究中，植物生物学系教授兼系主任SavithrammaDinesh-Kumar、研究生NathanMeier及其同事发现了一种参与免疫过程中基质生物发生的关键蛋白质。他们的研究结果发表在10月25日的《科学进展》杂志上。

免疫防御中的隐藏玩家

为了测试基质在免疫中的作用，研究人员需要将它们关闭，然后观察无基质的植物细胞在面对病原体时如何表现。然而，由于不知道哪些基因与基质的产生有关，研究人员无法知道要关闭哪些基因。

为了克服这一障碍，Dinesh-Kumar和他的同事们转向了驱动蛋白，这种蛋白质充当微型马达，允许分子和细胞器在细胞周围移动。这种细胞内运动通常涉及细胞的细胞骨架，它由两种不同类型的纤维组成：大的微管和较小的肌动蛋白丝。

研究人员想要研究一种植物特有的驱动蛋白，能够结合微管和肌动蛋白丝。研究人员发现，在没有病原体感染的情况下，其中一种驱动蛋白KIS1的过度表达会诱导基质形成。

当研究人员操纵烟草和拟南芥植物使其无法产生KIS1驱动蛋白时，他们发现这两种植物都无法形成子座，并且它们的叶绿体也不会向细胞核迁移。这使得植物无法防御引入的病原体。

叶绿体运动的秘密

为了阐明微管和肌动蛋白的作用，研究人员设计了一组只能与微管结合的KIS1变体，以及另一组只能与肌动蛋白结合的KIS1变体。这些变体在烟草中的表达表明，KIS1需要与微管结合才能使叶绿体形成基质，但为了使叶绿体向细胞核移动，它还必须与肌动蛋白结合。

研究小组还想知道stromules如何融入植物免疫的大局中。通过使用基因操作来关闭不同的免疫信号，他们发现基质形成是由分子信号传导触发的，并且基质的形成需要完整的免疫信号系统。

“如果我们去除任何已知的免疫信号基因，叶绿体就会失去制造基质的能力，这表明这些结构是激活防御的免疫信号通路的组成部分，”迪内什-库马尔说。

植物免疫的新认识

这项研究是植物驱动蛋白直接参与植物免疫的第一个证据。这也是科学家首次鉴定出参与叶绿体基质生物发生的基因KIS1，这为了解叶绿体基质的作用以及植物免疫防御过程中叶绿体聚集在细胞核周围的原因打开了大门。

迪内什-库马尔说：“如果我们能够在细胞水平上更好地了解叶绿体等细胞器如何帮助细胞保护自身，我们就可以帮助设计对病原体的抵抗力。”