本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
與動物不同，植物沒有含有能夠抵抗細菌入侵的細胞的迴圈血液系統。相反，它們必須依靠各種其他技術，我在我之前的科學領域部落格上詳細介紹了這些技術。它們使用的一種方法是殺死靠近細菌或真菌感染的細胞，以餓死來襲的感染並防止其擴散。
這種技術效果很好，可以在病原體造成太大損害之前將其殺死，然後只需生長更多的葉子或枝條來替換留下的葉子或枝條。這是一種有趣的技術，與人體會想到的任何事情完全不同！我第一次寫到它時就被迷住了，這就是為什麼我特別有興趣在最新的《公共科學圖書館·病原體》雜誌上找到一篇探討大麥死亡蛋白的文章。
該論文研究的蛋白質被稱為 R-蛋白，是“抗病蛋白”的縮寫。當大麥識別出接近的病原體，例如白粉病真菌時，它會啟用最靠近真菌的細胞中的 R-蛋白。其理念是，面對一片貧瘠的死亡細胞景觀，真菌會因飢餓而死亡。從植物的角度來看，訣竅是協調這些 R-蛋白，快速有效地殺死所需的細胞，而不會對植物的其餘部分造成任何損害。
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在大麥中，相關的 R-蛋白被稱為 MLA 蛋白，編號為 1-10。這些蛋白質可以存在於細胞核（DNA 所在之處）中，也可以存在於細胞質（細胞的其餘部分）中。先前已經表明，細胞核中的 MLA10 池是抵抗某種真菌菌株所必需的。在這篇論文中，研究人員希望進一步研究這一點。他們的發現是，雖然細胞核中的 MLA10 對於抗病性很重要，但僅靠它不足以引起細胞死亡。為了使植物細胞成功死亡，MLA10 必須存在於細胞質中。不僅如此，細胞質中的 MLA10本身就足以引起細胞死亡。
為了更好地瞭解 MLA10 的工作原理，研究人員建立了各種 MLA10 片段的蛋白質，其中包含上圖所示的結構域的不同組合。例如，他們建立了一個僅包含 CC 結構域（綠松石色框）或 CC-NB 結構域的蛋白質。然後，他們透過使用藍色染色劑測試細胞死亡。他們發現的第一件事是 CC 結構域對於細胞死亡至關重要。使用任何不包含 CC 結構域的片段都會完全消除死亡反應。他們還相當有趣地發現，產生最強死亡反應的片段是 CC-NB 片段。這產生的死亡比 CC-NB-ARC 片段更強，這表明 ARC 可能具有負調節作用。
為了更仔細地觀察 CC 片段的重要性，他們建立了 CC 部分發生突變的蛋白質。17 個突變體中的每一個都只有一個氨基酸發生了改變。除 1 個外，所有這些突變體都降低了蛋白質的細胞死亡能力，其中一些非常顯著。下圖取自論文，顯示了葉片上不同突變體區域的細胞死亡活性染色情況。左上角野生型（標記為 CC）有一個強烈的藍色斑點，底部還有一個突變體也顯示出細胞死亡能力。
當他們觀察不同片段突變體的位置時，發現 CC-NB 片段既存在於細胞核中，也存在於細胞質中，而不是不同的片段位於不同的位置。這有點令人驚訝，因為蛋白質的 LRR 部分是執行與 DNA 結合的部分。然而，迫使 CC-NB 片段僅停留在細胞核中會完全阻止死亡反應。迫使它停留在細胞質中會增加死亡反應。在全長野生型 MLA10 中也觀察到了相同的結果。
為了與早期研究顯示的 MLA10 在細胞核中的高定位相符（並解釋 LRR 結構域如果漂浮在細胞質中在做什麼），研究人員提出了一個綜合模型。他們認為，細胞質中的 MLA10 是啟動和放大死亡訊號所必需的，而細胞核中的 MLA10 有助於觸發進一步的抗病性。他們還暗示，觀察“核定位”可能有點過於簡單化，因為反應可能會因 MLA10 停留在細胞核中的確切位置而異。在核膜邊緣可能允許 MLA10 的一部分偷偷地保持在細胞質中，而其餘部分則在細胞核內。
這項研究構建了一個令人難以置信的複雜植物防禦系統的圖景，雖然它可能看起來不如人類免疫系統那麼複雜，但它仍然依賴於有組織和結構化的細胞內行為。隨著人類人口的不斷擴張，尋找保護我們的作物物種免受疾病侵害的方法，並最大限度地提高我們從土地中獲取的產量將變得越來越重要。
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致謝連結：T. Voekler
參考文獻：Bai S, Liu J, Chang C, Zhang L, Maekawa T, et al. (2012) 大麥 NLR 免疫受體 MLA10 的結構-功能分析揭示其在細胞死亡和抗病性中的細胞區室特異性活性。《PLoS 病原體》8(6): e1002752。doi:10.1371/journal.ppat.1002752