自然真奇妙!叶绿体竟然会跑到病菌入侵部位,对抗感染(动图)

▎学术经纬/报道

在小学课本上,我们就知道植物细胞里有许多叶绿体。它们就像是细胞中的农民,勤勤恳恳地工作,通过光合作用,将光能转化为化学能,供生物体使用。

▲叶绿体的存在,让整个世界变得绿意盎然(图片来源:Pixabay)

然而,遇到侵略自己家园的外敌,再温顺的人,也有血性的一面。叶绿体也同样如此。最近,伦敦帝国学院(Imperial College London)的一支研究团队发现,在马铃薯致病疫霉(Phytophthora infestans)的感染下,叶绿体会主动移动到感染的位置,用自己的躯体组成防御阵线。

说到致病疫霉,许多读者朋友们可能会感到陌生。但事实上,这种病原体会引起马铃薯的枯萎,带来极大的经济影响。从病理上看,这种病原体会伸出“触手”,穿透植物细胞,造成破坏。

▲致病疫霉会对马铃薯等作物造成极大的影响(图片来源:Rasbak [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons)

有趣的是,之前的一些研究发现,植物的免疫系统会让叶绿体摇身一变,化身防御卫士。它们会暂停光合作用,并分泌一些防御性激素的前体。这些结果表明,叶绿体是植物防御机制中的一环。

为了更好地理解叶绿体对致病疫霉的防御效果,科学家们开展了一项研究。在植物学研究的模式生物之一烟草里,他们引入了一种能在叶绿体基质里表达的绿色荧光蛋白。也就是说,在显微镜下,叶绿体能发出特定的荧光,方便研究人员们追踪。

随后,科学家们让烟草感染了致病疫霉。后续分析结果发现,叶绿体会聚集在感染的位点附近,并将致病菌的“触手”紧紧包围,防止他们造成进一步的破坏。

▲叶绿体(绿色)前往“触手”(红色)处(图片来源:参考资料[1])

▲看下三维结构图。叶绿体为黄色,“触手”为紫红色(图片来源:参考资料[1])

可不要以为这些叶绿体只是傻呵呵的冲上去当肉盾。相反,它们可是拥有“生化武器”的可怕防御者。研究人员们指出,这些叶绿体会释放出光合作用过程中具有毒性的副产物,对病菌的“触手”进行杀伤。

更有趣的是,叶绿体还会对病原体进行物理攻击。在观察中,研究人员们发现了两次罕见的现象——在叶绿体的合力冲击下,病原体的“触手”不堪重负,被活生生压垮。研究人员们在论文中指出,这些结果表明叶绿体在抗击入侵者方面,不仅拥有“生化武器库”,还可能提供机械力(mechanical means)方面的协助。

▲叶绿体(黄色)会发起集体冲锋(图片来源:参考资料[1])

▲研究人员们也看到了“触手”(箭头标出)被“压垮”的过程(图片来源:参考资料[1])

这些叶绿体是如何知道细胞被感染的呢?研究人员们也在论文中进行了探讨。他们指出,在通常情况下,叶绿体会移动到细胞内“朝向”比较好的地方,接受更多的阳光,从而更好地进行光合作用。一种叫做CHUP1的蛋白质,在叶绿体向光源的移动上,起到了关键作用。

研究人员们通过实验证实,这种蛋白也是叶绿体前往受感染区域的关键。当编码CHUP1的基因的表达被“沉默”后,叶绿体果然就失去了及时应对感染的能力。因此,叶绿体的千里驰援,需要CHUP1蛋白的协助。

▲几十亿年的共同演化,叶绿体依旧保留着蓝细菌的“野性”(图片来源:Kelvinsong [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons)

本研究的通讯作者Tolga Bozkurt教授表示,他对叶绿体展现出的动态表示“震惊”。目前的主流观点认为,叶绿体是被远古时代的细胞纳入体内,共同生存的一种蓝细菌。而其在对抗病原体感染中展现出的活力,则提醒我们,它们原本是一类自在生活的生物。

在论文的最后,科学家们指出,这些结果再次证明叶绿体是植物防御系统中的关键一环。而对于我们普通读者来说,这项研究则告诉我们,自然中还有许多看起来不可思议的事情,等着我们去挖掘,去探索。

参考资料:

[1] Alexia Toufexi et al., (2019), Chloroplasts navigate towards the pathogen interface to counteract infection by the Irish potato famine pathogen, bioRxiv, DOI: http://dx.doi.org/10.1101/516443

[2] How light-farming chloroplasts morph into defensive warriors, Retrieved January 28, 2019, from https://www.sciencenews.org/article/how-light-farming-chloroplasts-morph-defensive-warriors?tgt=nr

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