研究建立植物特异识别共生微生物和病原微生物框架
1月24日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队在植物区分共生与病原微生物的分子机制研究方面取得重要进展。相关研究成果以A pair of LysM receptors mediates symbiosis and immunity discrimination in Marchantia为题，发表在《细胞》（Cell）上。该研究建立了植物特异识别共生微生物和病原微生物的框架。
植物根系土壤中栖息着种类繁多的微生物。它们包括能够与植物建立互利共生关系的共生微生物以及能够侵染植物、掠夺其营养的病原微生物。其中，菌根真菌可以与多数陆生植物建立共生关系，帮助植物高效地从土壤中汲取磷和氮等关键营养元素。与之相反，病原微生物却时刻威胁着植物健康和作物产量。因此，植物如何精准区分共生和病原微生物，成为植物-微生物互作与作物科学研究领域的核心科学问题之一。
前期，王二涛团队发现，植物细胞膜定位的LysM类受体激酶能够识别来源于有益共生微生物或有害病原微生物的信号分子，触发相应的共生或免疫反应。而被子植物中LysM受体激酶的数量众多，且这些受体之间的生物学功能存在冗余，为探讨植物如何精确区分有益和有害微生物的机制带来了诸多挑战。幸运的是，早期陆生植物粗裂地钱基因组冗余度低、LysM受体数量少，成为研究这一科学问题的理想材料。
该研究发现，早期陆生植物粗裂地钱中仅存在一对LysM类受体激酶——MpaLYR和MpaCERK1，能够精准区分共生和病原微生物，并激活不同的下游信号通路。其中，MpaLYR负责识别微生物来源的信号分子，既能够结合共生微生物的分子标志物短链几丁质壳聚糖CO4/5，又能够结合外源真菌产生的病原分子标志物长链几丁质壳聚糖CO7/8，并通过与MpaCERK1形成蛋白复合体，激活相应的共生或免疫下游信号途径。值得注意的是，MpaLYR对病原微生物的分子标志物长链几丁质壳聚糖CO7/8具有更高的亲和力，使得植物能够敏锐地察觉到潜在病原微生物的威胁。
研究显示，在低磷条件下，植物释放名为独脚金内酯的激素。这种激素能够刺激菌根真菌特异分泌大量的共生分子标志物短链几丁质壳聚糖CO4/CO5。这些分子被MpaLYR识别后，激发共生反应，并抑制由外源真菌入侵带来的长链几丁质壳聚糖CO7而引发的免疫反应，从而维持共生与免疫的动态平衡。
为探究植物是否能够特异的识别共生标志分子CO4和病原特征分子CO7，该研究开展了磷酸化蛋白质组学分析。研究发现，CO4处理能够引起许多共生相关蛋白的磷酸化。而CO7处理处理后，较多与免疫相关蛋白的磷酸化水平发生变化。同时，研究发现，CO4和CO7处理均能增加CERK1、LYR、KIN4等蛋白的磷酸化，但磷酸化水平不一样，暗示共生信号和免疫信号可能诱导不同受体复合物的组装，导致共生和免疫信号的特异激活。
当病原微生物入侵时，病原特征分子CO7/8被MpaLYR识别，触发强烈的免疫反应，抵抗病原微生物的侵染。当菌根真菌与植物接触时，在高磷条件下，菌根真菌不分泌共生信号分子CO4/5，其细胞壁长链几丁质壳聚糖引发免疫反应，植物表现为防御外源微生物的侵染；在低磷条件下，植物合成并分泌独脚金内酯，该激素可以促进菌根真菌释放大量的共生信号分子CO4/5。CO4/5被MpaLYR识别后，激活共生反应，抑制其细胞壁长链几丁质壳聚糖CO7/8激发的免疫反应。因此，MpaLYR-MpaCERK1通过识别不同长度的几丁质壳聚糖区分共生和病原微生物，使植物在面对不同陆地环境时既能够通过菌根共生进行营养摄取又可以保证对病原微生物的免疫抵抗。
上述研究阐明了植物MpaLYR-MpaCERK1复合物分辨共生与病原微生物的分子机制，为农业病害防控和绿色农业发展提供了理论支撑。
研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。