清華新聞網(wǎng)1月30日電 在自然界中，植物持續(xù)遭受病原微生物侵害。為應(yīng)對(duì)這些威脅，植物進(jìn)化出多種免疫防御機(jī)制。其中，保衛(wèi)細(xì)胞感知病原菌，迅速關(guān)閉氣孔，阻斷病原菌入侵，形成第一道防線(xiàn)，稱(chēng)為“氣孔免疫”，是一種至關(guān)重要的廣譜防御機(jī)制。
作為多器官生物，植物在時(shí)空上協(xié)調(diào)全局防御?？茖W(xué)界已知，在病原菌侵染本地葉片后，植物遠(yuǎn)端未被侵染的葉片經(jīng)過(guò)數(shù)天時(shí)間可以獲得一種依賴(lài)于水楊酸途徑而持續(xù)數(shù)天甚至數(shù)周的免疫抗性，稱(chēng)為“系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）”。然而，適宜病原菌侵害的環(huán)境往往使植株器官在短期時(shí)間（數(shù)小時(shí)）內(nèi)先后遭受病原菌威脅。植物是否存在一種快速預(yù)警系統(tǒng)，在病原菌侵染本地葉片后，迅速將免疫信息傳遞至遠(yuǎn)端未被侵染的葉片，提前統(tǒng)籌防御，賦予植物全局性免疫能力。這是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
1月27日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院齊天從副教授課題組與合作者在《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表題為“一個(gè)由上游閱讀框編碼的移動(dòng)性小肽激活系統(tǒng)性氣孔免疫”（AnuORF-encoded mobile peptide sparks systemic stomatal immunity）的研究論文。首次發(fā)現(xiàn)了一種侵染早期快速啟動(dòng)的全新全局性免疫系統(tǒng)“系統(tǒng)性氣孔免疫”，鑒定了介導(dǎo)該系統(tǒng)的移動(dòng)性信號(hào)分子及其受體復(fù)合體，揭示了新型的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，闡明了病原菌侵染早期快速啟動(dòng)全局防御的分子通路。這為上述提出的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提供了突破性答案。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物本地葉片遭受病原菌入侵后，遠(yuǎn)端未被侵染的系統(tǒng)葉片氣孔在兩小時(shí)內(nèi)迅速關(guān)閉，并持續(xù)數(shù)小時(shí)，有效阻止病原菌侵染。研究團(tuán)隊(duì)將這一新發(fā)現(xiàn)的全局性免疫現(xiàn)象稱(chēng)為“系統(tǒng)性氣孔免疫”（Systemic stomatal immunity，SSIM）。這意味著，植物“系統(tǒng)性氣孔免疫”負(fù)責(zé)快速響應(yīng)與早期防御，而“系統(tǒng)獲得性抗性”承擔(dān)后期鞏固與持久免疫，兩套時(shí)空協(xié)防體系相互配合，形成高效、立體的免疫網(wǎng)絡(luò)，幫助植物有效應(yīng)對(duì)病原菌威脅。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了“系統(tǒng)性氣孔免疫”的分子基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)由上游開(kāi)放閱讀框（uORF）編碼的小肽是介導(dǎo)“系統(tǒng)性氣孔免疫”的關(guān)鍵移動(dòng)性信號(hào)分子，命名為USIC。本地葉片受到侵染后，USIC迅速合成，包裹于囊泡中通過(guò)維管組織傳遞至遠(yuǎn)端未被侵染的系統(tǒng)葉片。在系統(tǒng)葉片中，USIC被保衛(wèi)細(xì)胞表面的受體復(fù)合體SIRK1-KIN7識(shí)別，激活鈣離子內(nèi)流。這一信號(hào)觸發(fā)半胱氨酸蛋白酶MC4對(duì)共受體KIN7進(jìn)行剪切，釋放KIN7胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，使其從質(zhì)膜轉(zhuǎn)移至液泡膜。KIN7胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與AHA1質(zhì)子泵及PIP2;1水通道蛋白在液泡膜上相互作用，使液泡失水，驅(qū)動(dòng)氣孔快速關(guān)閉（圖1）。令人振奮的是，USIC有效誘導(dǎo)白菜、甘藍(lán)、蘿卜、番茄等植物的氣孔關(guān)閉，展現(xiàn)出良好的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。
“系統(tǒng)性氣孔免疫”通路模式圖
綜上，該研究首次報(bào)道高等植物“系統(tǒng)性氣孔免疫”這一全新防御系統(tǒng)。它區(qū)別于建立緩慢的“系統(tǒng)獲得性抗性”，也不依賴(lài)于水楊酸通路，而是以一種更精簡(jiǎn)、更迅速的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)特性，實(shí)現(xiàn)植物全身的整體性防御。這一發(fā)現(xiàn)不僅開(kāi)拓了植物免疫學(xué)理論，也為開(kāi)發(fā)廣譜、快速抗病特性的作物提供了重要理論基礎(chǔ)。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授齊天從與首都師范大學(xué)教授宋素勝為論文共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在站博士后劉長(zhǎng)振、余強(qiáng)勝，2025屆博士畢業(yè)生金云帆為論文共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后宋天雪，工程師韓萌，2024級(jí)博士生柯樂(lè)怡，教授劉玉樂(lè)、鄧海騰、謝道昕、魯志副；首都師范大學(xué)2024屆碩士畢業(yè)生馬威，2023級(jí)碩士生錢(qián)毅、薛琪，2023級(jí)博士生董雨鑫，副教授侯聰聰；北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院已出站博士后李靜，研究員王繼縱；云南大學(xué)教授武旭娜；香港中文大學(xué)教授姜里文；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授鞏志忠；杜克大學(xué)教授何勝洋為研究作出了重要貢獻(xiàn)。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01437-0
供稿：生命學(xué)院
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
