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導(dǎo)讀  

質(zhì)外體是連接組織和器官之間細(xì)胞的連續(xù)植物區(qū)室，是植物和微生物之間相互作用的首個(gè)位點(diǎn)之一。植物細(xì)胞壁(CW)占據(jù)了質(zhì)外體的大部分，由多糖、相關(guān)蛋白質(zhì)和離子組成。這個(gè)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)部分構(gòu)成了微生物的基本物理屏障和營(yíng)養(yǎng)來源。同時(shí)，植物細(xì)胞壁在跨界檢測(cè)、識(shí)別和對(duì)其他生物的反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。因此，植物和微生物都能以多種方式改變植物細(xì)胞壁及其環(huán)境，從而從相互作用中獲益。本綜述討論了微生物與植物接觸和通訊過程中植物細(xì)胞壁上發(fā)生的關(guān)鍵過程。最后，我們認(rèn)為需要考慮這些局部和動(dòng)態(tài)變化，以充分理解植物-微生物相互作用。  

論文ID

原名：Plant-microbe interactions in the apoplast: Communication at the plant cell wall   

譯名：質(zhì)外體中的植物-微生物相互作用：植物細(xì)胞壁上的通訊  

期刊：The Plant Cell  

IF：12.085  

發(fā)表時(shí)間：2022.2  

通訊作者：Clara Sánchez-Rodríguez  

通訊作者單位：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系  

DOI：10.1093/plcell/koac040  

綜述目錄

1 前言

2 植物CW

3 植物CW環(huán)境的微生物修飾

3.1 CW多糖

3.2 質(zhì)外體pH

3.3 CW離子

4 植物CW強(qiáng)化防御

4.1 CW多糖

4.2 ROS和木質(zhì)素

4.3 軟木脂

5 總結(jié)與展望

主要內(nèi)容

1 前言

質(zhì)外體是植物質(zhì)膜和外表面之間的區(qū)室。這個(gè)空間包含了質(zhì)膜蛋白的胞外結(jié)構(gòu)域；細(xì)胞壁(CW)多糖、蛋白質(zhì)、多酚和離子，還有水和空氣。質(zhì)外體在植物生物學(xué)中具有重要作用，包括光合作用、蒸騰作用、水分和養(yǎng)分的吸收以及信號(hào)分子的移動(dòng)(圖1)。在所有非病毒微生物定植植物期間，質(zhì)外體是最初建立相互作用的空間，也是入侵者在宿主體內(nèi)度過大部分(如果不是全部)生命周期的地方。因此，質(zhì)外體作為植物-微生物通訊的界面是一個(gè)高度活躍的場(chǎng)所。

微生物和植物之間的相互作用從共生到寄生都有。根據(jù)病原體在宿主中的不同生活方式，病原體被進(jìn)一步分類為生物營(yíng)養(yǎng)型、壞死營(yíng)養(yǎng)型和半生物營(yíng)養(yǎng)型，盡管對(duì)于這些分類的準(zhǔn)確性存在一些爭(zhēng)議。無論相互作用的類型是什么，微生物都需要植物CW的松弛和降解，一方面是為了獲得營(yíng)養(yǎng)，另一方面是為了創(chuàng)造生長(zhǎng)空間。其中一些植物CW改變是由入侵者釋放的CW片段引起的，這些片段會(huì)被宿主通過質(zhì)膜模式識(shí)別受體(PRRs)識(shí)別為損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)，PRRs結(jié)合釋放的CW片段(圖2A)。其他PRRs識(shí)別微生物相關(guān)分子模式(MAMPs)，例如通過植物質(zhì)外體酶的作用從真菌CWs釋放的幾丁質(zhì)寡聚體。PRRs識(shí)別MAMP和DAMP會(huì)觸發(fā)植物模式觸發(fā)的免疫(PTI)，導(dǎo)致重要的質(zhì)外體改變作為基礎(chǔ)防御，如質(zhì)外體pH變化、Ca2+從CW釋放和內(nèi)流到細(xì)胞質(zhì)，以及活性氧(ROS)的產(chǎn)生。對(duì)入侵者的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的激活，被各種植物激素信號(hào)放大，導(dǎo)致復(fù)雜的防御反應(yīng)。植物對(duì)每一種感染的反應(yīng)具有特異性，但包括程序性細(xì)胞死亡、抗菌肽的分泌、病程相關(guān)蛋白(PRs)和進(jìn)入質(zhì)外體的蛋白酶，以及CW的結(jié)構(gòu)修飾。微生物必須繞過這些質(zhì)外體防御才能在植物中生存。為此，微生物進(jìn)化出了不同的機(jī)制以盡量減少宿主對(duì)它們的檢測(cè)，并阻止MAMP/DAMP觸發(fā)的防御。

近幾十年來，植物對(duì)分子模式感知反應(yīng)的研究一直是植物抗逆性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。鑒于新興的方法，如高分辨率顯微鏡、固態(tài)核磁共振等結(jié)構(gòu)解析技術(shù)和復(fù)雜的計(jì)算模擬，植物CW的架構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)正在重新獲得其在該領(lǐng)域的主導(dǎo)作用。因此，在本篇綜述中，我們將避免討論有關(guān)DAMP/MAMP感知、隨后的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路和一些下游反應(yīng)的細(xì)節(jié)，這些在其他地方已經(jīng)得到了廣泛的討論。相反，我們側(cè)重于關(guān)注植物CW作為相互作用中的活性元素，描述它如何被微生物修飾并被植物強(qiáng)化，以及這與離子運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞外蛋白質(zhì)活性的變化之間的關(guān)系。本綜述主要關(guān)注致病性微生物，不包括互惠共生菌和病原體之間的詳盡比較。

圖1 初生細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)模型。

基于洋蔥表皮CW的AFM圖像：纖維素微原纖維(藍(lán)色原纖維)嵌入果膠(黃色鏈)、半纖維素(綠色鏈)、阿拉伯半乳聚糖蛋白(線性蛋白骨架為粉紅色，糖基化羥脯氨酸殘基為橙色)和其他植物CW蛋白(粉紅色)。被稱為生物力學(xué)熱點(diǎn)(紅色陰影)的有限區(qū)域被認(rèn)為對(duì)CW力學(xué)有很大的貢獻(xiàn)，可能包括纖維素和其他分子之間的接觸位點(diǎn)。纖維素微原纖維由纖維素合酶復(fù)合物沿著微管在質(zhì)膜上合成，而其他多糖則在高爾基體上合成并在質(zhì)外體組裝。(A)木聚糖通過氫鍵與纖維素微原纖維的親水性表面結(jié)合，其構(gòu)象與纖維素中的葡聚糖鏈相同。(B)基于分子動(dòng)力學(xué)模擬，木葡聚糖與纖維素的疏水性表面結(jié)合，但這種相互作用的細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究。這種相互作用被擴(kuò)張蛋白(EXP)和木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶(XTH/XETs)修飾。擴(kuò)張蛋白是一種非水解蛋白，通過一種未知的機(jī)制引起CW松弛，最有可能的是通過分離相互作用的半纖維素和纖維素。XTH將木葡聚糖鏈轉(zhuǎn)糖基化到纖維素的葡聚糖鏈上，形成新的共價(jià)鍵，用紅色標(biāo)出。XTHs還可以生成木葡聚糖-木葡聚糖連接，或水解木葡聚糖(圖中未顯示)。(C)同型半乳糖醛酸被果膠甲基酯酶(PMEs)去甲基化，而PMEs又被果膠甲基酯酶抑制劑(PMEIs)抑制，從而調(diào)節(jié)果膠的甲基化狀態(tài)。PME-去甲基化的半乳糖醛酸區(qū)結(jié)合Ca2+(紫紅色圈)，在分子內(nèi)或分子間形成二聚蛋盒結(jié)構(gòu)。Ca2+結(jié)合的果膠似乎與纖維素有關(guān)，盡管這種相互作用的細(xì)節(jié)尚不清楚。去甲基化的同型半乳糖醛酸的大小通過果膠酸和果膠裂解酶以及多聚半乳糖醛酸酶(PLs和PGs)的裂解而減小。(D)阿拉伯半乳聚糖蛋白的葡萄糖醛酸殘基可以結(jié)合Ca2+，這可能會(huì)導(dǎo)致二聚化。

2 植物CW

植物CW是一種異質(zhì)混合物，主要由多糖組成。由于CW組分之間的相互作用，不同CW的性質(zhì)不同，甚至在同一細(xì)胞周圍也是如此。為了適應(yīng)不斷變化的細(xì)胞和器官需求，可以通過質(zhì)外體蛋白、改變離子濃度和沉積新材料來修飾CW特性。本節(jié)我們主要描述了真雙子葉植物初生細(xì)胞壁的組成，以模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)為例。然而，多糖的類型和結(jié)構(gòu)(特別是半纖維素和果膠)在系統(tǒng)發(fā)育上各不相同，以前在其他地方已經(jīng)討論過。在同一植物中，CW的組成和厚度在不同的組織中有所不同，如木質(zhì)部導(dǎo)管和應(yīng)拉木的CWs，盡管這超出了本文的討論范圍。

CW多糖包括纖維素、半纖維素和果膠。纖維素是由纖維素合酶復(fù)合物在質(zhì)膜上合成(圖1)，而果膠和半纖維素則在高爾基體中合成。在纖維素合成過程中，β-1,4-葡聚糖鏈組裝成半結(jié)晶微纖維，形成CW的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有助于其強(qiáng)度、組織結(jié)構(gòu)和功能。據(jù)報(bào)道，纖維素通過其結(jié)構(gòu)相似的β-1,4-糖苷鍵與半纖維素結(jié)合(圖1A和B)。半纖維素的組成復(fù)雜，在不同的系統(tǒng)發(fā)育類群中各不相同，但半纖維素都具有主鏈β-1,4-糖苷鍵，盡管有些半纖維素具有額外的主鏈糖苷鍵。這些相互作用被認(rèn)為影響細(xì)胞壁強(qiáng)度，這由許多半纖維素突變體所顯示的發(fā)育缺陷所支持。半纖維素與纖維素微原纖維的結(jié)合可以防止纖維素聚集，并使微纖維相互交聯(lián)或與不同的CW組分(如酚醛聚合物木質(zhì)素)交聯(lián)。防止纖維素聚集對(duì)于維持微纖維在壁的不同薄層中的方向可能很重要，這可能有助于抵抗不同方向的機(jī)械力。微纖維之間或與其他成分之間的任何潛在交聯(lián)，都可以防止微纖維的滑動(dòng)，這被認(rèn)為有助于細(xì)胞擴(kuò)張。纖維素和半纖維素木葡聚糖之間的相互作用位點(diǎn)稱為生物力學(xué)熱點(diǎn)，可影響細(xì)胞壁的生物力學(xué)特性，并被認(rèn)為是擴(kuò)張蛋白(圖1B)的靶標(biāo)，這是一種可使CW松弛的蛋白質(zhì)。生物力學(xué)熱點(diǎn)的確切結(jié)構(gòu)尚不完全清楚。木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶(XTH/XETs，圖1B)也可重塑木葡聚糖并將其與纖維素和其他木葡聚糖共價(jià)連接。在一些植物中也發(fā)現(xiàn)了類似具有重塑活性的其他半纖維素多糖。質(zhì)外體CW修飾蛋白，如擴(kuò)張蛋白和XTH/XETs的作用受pH的調(diào)節(jié)。

與結(jié)構(gòu)相似的纖維素和半纖維素相比，植物CWs(尤其是真雙子葉植物)的其他主要多糖成分是果膠。果膠主要由半乳糖醛酸(HG)組成，這是一種可以用不同的糖分支裝飾的骨架，形成不同的果膠多糖，包括鼠李糖半乳糖醛酸-II。HGs以乙?；痛罅考谆セ男问椒置凇Ｒ坏┑竭_(dá)質(zhì)外體，它們被CW果膠甲基酯酶(PMEs)去甲基化，并被果膠乙酰酯酶去乙?；?。PME活性受果膠甲基酯酶抑制劑(PMEIs)以及其他因素的調(diào)節(jié)，如可以切割PME的自抑制結(jié)構(gòu)域的蛋白酶。PME活性受到pH的嚴(yán)重影響，通過改變PMEIs和PMEs的相互作用，以及通過改變PMEs的持續(xù)合成能力，從而影響去甲基化殘基塊的形成。HG的去甲基化區(qū)域可以結(jié)合Ca2+，產(chǎn)生所謂的“蛋盒”結(jié)構(gòu)，形成凝膠(圖1C)。蛋盒被認(rèn)為可以使不同的果膠鏈二聚化，從而影響細(xì)胞壁的機(jī)械性能。Ca2+結(jié)合在體外受HG乙酰化的影響，這可能也會(huì)影響主鏈的構(gòu)象。盡管HG的主鏈形狀與半纖維素和纖維素不同，但它也能與纖維素相互作用(圖1C)。這種相互作用的程度和果膠的剛度與去甲基化呈正相關(guān)。與此相一致的是，蛋盒HG在空間構(gòu)象上似乎更接近纖維素。Ca2+的結(jié)合使得HG的構(gòu)象及其與纖維素的相互作用受pH的調(diào)節(jié)，因?yàn)镠G在低pH時(shí)的質(zhì)子化阻止了與Ca2+的離子相互作用。另一方面，HG去甲基化可使細(xì)胞壁松弛，使細(xì)胞擴(kuò)張。在表皮CW中觀察到的HG去甲基化被預(yù)測(cè)允許CW的這些區(qū)域的擴(kuò)張，導(dǎo)致表皮細(xì)胞中葉的形成，盡管該模型存在爭(zhēng)議。多聚半乳糖醛酸酶(一種水解HG的酶，其中一些更喜歡去甲基化的HG作為底物)的過表達(dá)也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞擴(kuò)張的增加和果膠-纖維素相互作用的減少，這表明較小的果膠與纖維素的相互作用更少。因此，據(jù)報(bào)道果膠去甲基化可增加或減少CW剛度，這取決于所使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？傊?，盡管去甲基化可能使HG鏈交聯(lián)并與纖維素結(jié)合，但它也使HG更容易被果膠裂解酶和水解酶消化，這些酶更喜歡帶電荷的果膠，這可能解釋了對(duì)CW力學(xué)的矛盾影響。其中一些不同的影響可能是由于產(chǎn)生的去甲基化模式的差異，這可能使果膠或多或少地螯合鈣或被裂解酶和水解酶切割。

一些果膠和半纖維素木聚糖已被報(bào)道與阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)共價(jià)連接，盡管尚不清楚這種相互作用有多廣泛。AGPs位于多糖和蛋白質(zhì)之間的界面，其蛋白質(zhì)主鏈大部分未展開且高度糖基化(圖1D)。AGP側(cè)鏈末端的葡萄糖醛酸(GlcA)殘基可與Ca2+結(jié)合。大多數(shù)典型的AGPs通過糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定附著在質(zhì)膜上，但也有一些釋放到細(xì)胞壁中。CWs還含有非多糖聚合物木質(zhì)素和軟木脂。木質(zhì)素是一種疏水性苯丙烷聚合物，可以與其他CW組分交聯(lián)，包括多糖和潛在的蛋白質(zhì)。果膠單體在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中生物合成，并在質(zhì)外體中由漆酶和過氧化物酶蛋白聚合。木質(zhì)素的聚合受到嚴(yán)格的時(shí)空控制，通常存在于特定組織中，如木質(zhì)部導(dǎo)管、纖維細(xì)胞和凱氏帶，它也可以在對(duì)病原體的反應(yīng)中產(chǎn)生。軟木脂是一種疏水性脂基聚合物，可形成感染或損傷細(xì)胞CWs的一部分。

我們現(xiàn)在對(duì)CW多糖之間的一些主要相互作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述(圖1)。但這些相互作用及其與CW，特別是整個(gè)細(xì)胞或組織的涌現(xiàn)特性的關(guān)系的內(nèi)聚模型仍在開發(fā)中。這與植物-微生物相互作用特別相關(guān)，我們需要了解CW的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)如何與疾病的發(fā)展相關(guān)聯(lián)。

3 植物CW環(huán)境的微生物修飾

3.1 CW多糖

微生物需要對(duì)植物CW進(jìn)行修飾，以與宿主進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嗷プ饔谩榇?，它們利用具有重要CW松弛作用的非催化蛋白，如擴(kuò)張蛋白和擴(kuò)張蛋白樣蛋白，松弛蛋白和膨脹素，這些蛋白最近被綜述。與這些蛋白質(zhì)一起，入侵者分泌一系列CW降解酶(CWDEs)，根據(jù)其催化機(jī)理和序列相似性，將其分類為碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫(kù)(CaZY)中的家族：糖基水解酶(GH)、多糖裂解酶(PL)、碳水化合物酯酶(CE)和輔助活性(AA)家族，包括裂解性多糖單加氧酶(LPMO)。CWDEs去除取代基，破壞多糖之間的相互作用并將其打碎成更小的片段，從而影響CW結(jié)構(gòu)，盡管這些影響尚不清楚(一些潛在結(jié)構(gòu)變化的模型如圖2所示)。病原體分泌的CWDEs的數(shù)量和種類多少與它們的生活方式和宿主有關(guān)。一般來說，壞死營(yíng)養(yǎng)型細(xì)胞的基因組中CaZY家族的數(shù)量高于生物營(yíng)養(yǎng)型細(xì)胞。這在很大程度上是因?yàn)閴乃罓I(yíng)養(yǎng)型細(xì)胞殺死了宿主細(xì)胞，而不是利用它們作為初級(jí)代謝物的持續(xù)供應(yīng)，因此它們必須降解并以CW的復(fù)雜聚合物為食。相比之下，許多生物營(yíng)養(yǎng)菌和共生微生物的CWDEs數(shù)量減少，可能轉(zhuǎn)而依賴內(nèi)源性植物CWDEs。

病原體CWDE突變體提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明特定多糖的降解對(duì)疾病的發(fā)展至關(guān)重要。一些纖維素酶庫(kù)減少的病原體的毒力受損。例如，細(xì)菌Dickeya dadantii和Clavibacter michiganensis中單一纖維素酶的缺失降低了可見疾病癥狀的嚴(yán)重程度。9種預(yù)測(cè)的纖維素酶(GH6和GH7家族成員)的敲除也降低了稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)的毒力，這可能是由于乳突形成增加或真菌的乳突降解能力降低。然而，最近的數(shù)據(jù)表明，具有低纖維素降解能力的尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)通過質(zhì)外體的速度更快，具有高毒力，但腐生生長(zhǎng)和繁殖受損。因此，纖維素是某些病原體致病的重要結(jié)構(gòu)屏障，而對(duì)于其他病原體而言，纖維素的降解對(duì)腐生階段很重要。

半纖維素和果膠的降解也與發(fā)病機(jī)制有關(guān)。木葡聚糖的降解似乎對(duì)某些絲狀病原體的感染很重要，如大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)和尖孢鐮刀菌突變體，當(dāng)缺乏單一GH12木葡聚糖酶時(shí)，它們的毒性要小得多(圖2B)。相比之下，Botrytis cinerea木葡聚糖酶的水解活性對(duì)其在植物中的功能并不重要，雖然無論其活性如何，該酶都會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。同樣，兩種黃萎病菌(Verticillium dahliae)GH12木葡聚糖酶也會(huì)導(dǎo)致棉花(陸地棉(Gossypium hirsutum)的細(xì)胞死亡，降低真菌的毒力，在沒有這些酶的情況下，真菌的毒性會(huì)更強(qiáng)。

其他半纖維素對(duì)抗病性也很重要，有大量的報(bào)告表明了病原菌木聚糖酶在被子植物病害發(fā)展中的重要性。真菌V. dahliae和M. oryzae、細(xì)菌Xanthomonas oryzae和卵菌Phytophthora parasitica中的木聚糖酶突變體的毒力降低。但木聚糖酶活性并不總是必要的，即使是對(duì)木聚糖含量高的植物的侵染(如小麥)，小麥和大豆禾谷鐮刀菌(Fusarium graminearum)侵染中，木聚糖酶表達(dá)調(diào)控因子的缺失對(duì)癥狀幾乎沒有影響，盡管木聚糖酶活性下降。禾谷鐮刀菌PMEs對(duì)果膠的去甲基化增加了有癥狀感染小麥小穗的百分比。V. dahliae中的果膠酸裂解酶、R. solanacearum中的多聚半乳糖醛酸酶(以及其他例子)以及致病疫霉菌(Phytophthora infestans)中新發(fā)現(xiàn)的HG-特異性LPMO中的突變會(huì)損害毒力(圖2B)。另一方面，禾谷鐮刀菌多聚半乳糖醛酸酶突變體在小麥和大豆中的毒力與野生型真菌相似。很明顯，一些植物CW降解對(duì)發(fā)病機(jī)理和共生很重要，大多數(shù)物種需要降解多種多糖，但降解特定CW組分的重要性因不同微生物物種而異，例如CWDE突變體增強(qiáng)或不影響毒力。CW降解的重要性可以被其他CW組分的降解所掩蓋；例如，木聚糖和果膠降解對(duì)禾谷鐮刀菌的重要性只有在失去這兩種活性的雙突變體中才明顯。從微生物CWDE突變體的角度，特別是甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖的角度來看，各種多糖在植物防御中的作用尚未得到充分研究。在某些情況下，主要的困難是解決某些植物的挑戰(zhàn)，如裸子植物，它們具有高甘露聚糖含量。

病原體需要CWDEs才能有效建立疾??；但CWDE活性的產(chǎn)物可以被植物識(shí)別為DAMPs，從而激活免疫反應(yīng)。來自HG的低聚半乳糖醛酸(OGs)；來自纖維素、混合連接葡聚糖和木葡聚糖的纖維寡糖；來自木聚糖的木寡糖；據(jù)報(bào)道，來自β-1,3葡聚糖的與胼胝質(zhì)相似的低聚糖以及木葡聚糖-寡糖均能激活PTI。來自不同聚合物的寡糖誘導(dǎo)不同的免疫反應(yīng)；木葡聚糖-寡糖和OGs均能減輕B. cinerea和Hyaloperonospora arabidopsidis感染引起的疾病嚴(yán)重程度，但只有OGs在應(yīng)用于葉子時(shí)會(huì)誘導(dǎo)ROS爆發(fā)。纖維寡糖在擬南芥中也沒有誘導(dǎo)ROS爆發(fā)，但卻上調(diào)了防御基因的轉(zhuǎn)錄，如WRKY30。

植物可以精確地解碼低聚糖。例如，將半乳糖和巖藻糖二糖添加到七糖木葡聚糖衍生的寡糖中使其能夠抑制生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的黃化豌豆(Pisum satium)莖的伸長(zhǎng)。這些來自同一聚合物的不同低聚糖可能是不同CaZYmes的產(chǎn)物。例如，GH30木聚糖酶比GH11木聚糖酶產(chǎn)生更長(zhǎng)的木寡糖，而且葡萄糖醛酸取代在這兩種木寡糖上的位置不同。植物和病原體在其基因組中的CaZYme家族存在差異；例如，許多真菌分泌GH12木葡聚糖酶(圖2B)，許多細(xì)菌編碼GH30木聚糖酶，這些GH家族在楊樹(Populus trichocarpa)和擬南芥基因組中都不存在。因此，植物可能會(huì)將生長(zhǎng)過程中來自其自身GHs的CW降解產(chǎn)物與入侵者GHs釋放的CW降解產(chǎn)物區(qū)分開來。

PRRs對(duì)DAMP的感知是植物免疫和病理研究中最活躍的領(lǐng)域之一，也是人們經(jīng)常討論的話題。然而，對(duì)于大多數(shù)DAMPs來說，它們的PRRs是未知的，識(shí)別此類蛋白質(zhì)將繼續(xù)成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，因?yàn)槲覀円_定特定的但相似的寡糖結(jié)構(gòu)如何產(chǎn)生不同的植物反應(yīng)。這個(gè)領(lǐng)域特別復(fù)雜，因?yàn)樾枰狿RRs來檢測(cè)非常具體的結(jié)構(gòu)，但也需要檢測(cè)高度不相關(guān)的結(jié)構(gòu)。例如，受體CERK1參與檢測(cè)短鏈混合連接葡聚糖寡糖(MLGs)和β-1,3-葡寡糖，但不參與檢測(cè)長(zhǎng)鏈β-1,3-葡寡糖。盡管cerk1突變體在區(qū)分不同大小的相似結(jié)構(gòu)方面具有這種特異性，但它在檢測(cè)多種MAMPs(如幾丁質(zhì)、LPS和肽聚糖)時(shí)受到影響。出乎意料的是，最近證明CERK1對(duì)在擬南芥、水稻(Oryza sativa)和大麥(Hordeum vulgare)中檢測(cè)混合MLGs至關(guān)重要，盡管這在擬南芥中存在爭(zhēng)議，因?yàn)椴煌膶?shí)驗(yàn)小組在技術(shù)上類似的實(shí)驗(yàn)中顯示了相反的結(jié)果。有趣的是，只有單子葉植物(而非真雙子葉植物)的CWs中含有MLGs。在卵菌CWs中發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)相似的MLG，因此，檢測(cè)MLG-寡糖的能力可能對(duì)于真雙子葉植物檢測(cè)來自卵菌的MAMPs而不是來自它們自身CWs的DAMPs很重要。

為了減少DAMP誘導(dǎo)的PTI，病原體試圖控制植物對(duì)多糖DAMPs的感知。出于這個(gè)目的，一些微生物會(huì)分泌蛋白質(zhì)來隔離DAMPs，從而阻止其與相應(yīng)的PRRs結(jié)合，例如Ralstonia solanacearum凝集素結(jié)合含有木葡聚糖的巖藻糖。其他病原體也進(jìn)化出了CWDEs，其降解產(chǎn)物尚未被植物識(shí)別為DAMPs，比如卵菌中的果膠溶解多糖單加氧酶(LPMOs)。LPMOs因其降解結(jié)晶和頑固性多糖的能力而對(duì)木質(zhì)纖維素分解的貢獻(xiàn)而聞名。因此，卵菌可能進(jìn)化出了一種新的LPMO活性，其產(chǎn)物預(yù)計(jì)會(huì)減弱PTI，這可能模仿了植物通過產(chǎn)生氧化的OGs來減輕PTI的機(jī)制。果膠LPMOs在降低防御激活方面的新作用是一個(gè)推測(cè)性想法，還需要進(jìn)一步研究。

與氧化多糖降解具有免疫逃逸功能的觀點(diǎn)相反，一種纖維素特異性LPMO的產(chǎn)物在擬南芥中引起免疫反應(yīng)，其中一些比廣泛接受的DAMP纖維二糖更強(qiáng)。此外，一些病原菌表達(dá)AA7酶，該酶被認(rèn)為可以氧化寡糖，并可能是降低病原體產(chǎn)生的DAMPs的免疫原性的重要因素。有趣的是，植物利用AA7酶來降低DAMPs的免疫激活能力。未來對(duì)植物和病原體DAMPs穩(wěn)態(tài)的研究將繼續(xù)影響該領(lǐng)域。DAMP產(chǎn)生的負(fù)面影響可能超過CW結(jié)構(gòu)破壞的好處。因此，消除某些微生物CWDEs可以增加它們的致病性，這可能是減少DAMP產(chǎn)生的副作用。例如，兩種M. oryzae混合連接葡聚糖酶突變體的致病性增加性，因此，由這些蛋白的活性形式產(chǎn)生的DAMPs會(huì)導(dǎo)致宿主中的MAP激酶激活。

最近，已經(jīng)證明CWDEs可以是MAMPs。一些無催化活性的CWDE突變蛋白誘導(dǎo)PTI，這表明酶本身，而不僅僅是它們產(chǎn)生的DAMPs被植物識(shí)別。三種十字花科(Brassicaceae)植物已被證明可以識(shí)別三種不同的短肽，這些短肽來源于真菌，可能是卵菌，多聚半乳糖醛酸酶。許多其他植物物種沒有將這些多聚半乳糖醛酸酶識(shí)別為MAMPs，這表明CWDE衍生的MAMPs對(duì)一些相互作用具有高度特異性。這些肽埋藏在多聚半乳糖醛酸酶的疏水核心中，表明存在消化CWDEs并釋放這些新MAMPs進(jìn)行識(shí)別的植物蛋白酶。雖然胞外蛋白酶在植物免疫中的重要性已被證實(shí)，但其在從病原體CWDEs中釋放MAMPs方面的潛在功能仍有待充分研究。

植物CW的微生物操作不僅會(huì)產(chǎn)生化學(xué)信號(hào)，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械信號(hào)。雖然CW松弛和細(xì)胞分離對(duì)于促進(jìn)感染和為微生物細(xì)胞或攝食結(jié)構(gòu)(如吸器和叢枝)的生長(zhǎng)創(chuàng)造空間是必要的，但植物細(xì)胞可以感知質(zhì)膜和CW所經(jīng)歷的機(jī)械力的變化，這在其他地方最近已經(jīng)討論過。機(jī)械傳感對(duì)于產(chǎn)生免疫反應(yīng)很重要，因?yàn)橐恍C(jī)械敏感蛋白中的突變體，如小電導(dǎo)樣(MSL)質(zhì)膜通道的機(jī)械敏感通道，在一些下游細(xì)胞壁強(qiáng)化反應(yīng)和植物激素水平中受到影響。由植物進(jìn)化而來的復(fù)雜的檢測(cè)系統(tǒng)整合了所有這些信號(hào)，激活了包括強(qiáng)化CW在內(nèi)的免疫反應(yīng)，這將在后面討論。

與CWDE和CW松弛蛋白中的微生物突變體一起，在某些CW組分的生物合成中受損的植物用于了解基于CW的抗病性，最近在其他地方進(jìn)行了綜述。這種方法產(chǎn)生了重要的見解，特別是對(duì)CW結(jié)構(gòu)、CW完整性監(jiān)測(cè)和植物激素之間的相互作用。例如，纖維素和果膠合成缺陷會(huì)影響茉莉酸、乙烯和水楊酸等的反應(yīng)，而半纖維素合成缺陷會(huì)影響油菜素內(nèi)酯和獨(dú)腳金內(nèi)酯的反應(yīng)。即使在具有相同CW組分缺陷的突變體中，這種反應(yīng)也具有高度特異性。例如，不同的木質(zhì)素合成突變體在被激活的特定防御基因中幾乎沒有重疊。隨著植物CW突變體的研究，微生物CWDEs在植物中的表達(dá)表明，這些酶介導(dǎo)的多糖結(jié)構(gòu)變化或酶本身被植物感知。例如，靶向果膠或木聚糖的真菌乙酰酯酶的過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致防御基因表達(dá)增加。具有果膠或木聚糖乙酰化缺陷的細(xì)胞壁合成突變體具有抗性表型，表明這種多糖結(jié)構(gòu)的重要性。盡管有這些有趣的發(fā)現(xiàn)，但對(duì)CW中多糖結(jié)構(gòu)作用的解釋由于這些突變體中CW修飾所產(chǎn)生的各種激素和代謝變化而變得復(fù)雜。此外，某一CW組分的改變也會(huì)影響整個(gè)CW結(jié)構(gòu)。因此，了解整個(gè)CW結(jié)構(gòu)對(duì)于評(píng)估某一突變的影響至關(guān)重要。

圖2 微生物定殖對(duì)植物細(xì)胞壁環(huán)境的影響。

圖1所示的初生CW的多糖被微生物CWDE和CW修飾酶松弛和降解(紅色)，且CW離子環(huán)境被修飾(A-E)。植物通過合成新的CW材料(F-G)作出響應(yīng)。(A)植物CW多糖被微生物的酶所消化。一些由此產(chǎn)生的寡糖片段被質(zhì)膜定位受體檢測(cè)為DAMPs，誘導(dǎo)信號(hào)級(jí)聯(lián)導(dǎo)致防御反應(yīng)。顯示的是確定的DAMPs(如纖維二糖和OGs)和潛在的DAMPs(如木葡聚糖和木聚糖)。(B)微生物木葡聚糖酶(GH12)和擴(kuò)張蛋白(EXP)分別切割木葡聚糖并松弛木葡聚糖-纖維素相互作用。這可能會(huì)減少微纖維之間的交聯(lián)，使纖維素微纖維分離/滑動(dòng)，這對(duì)于CW松弛可能很重要。(C)微生物果膠甲基酯酶(PMEs)從HG中去除甲基，而果膠和果膠裂解酶(PLs)以及多聚半乳糖醛酸酶(PGs)將這種聚合物切割成更小的片段。在低pH值或小HG下，HG失去結(jié)合Ca2+離子的能力，這可能會(huì)減少HG和纖維素之間的相互作用。(D)與F. oxysporum接觸后，通過過度激活植物質(zhì)膜質(zhì)子ATP酶(AHAs)，質(zhì)外體酸化導(dǎo)致質(zhì)膜和皮層微管解聚過程中纖維素合酶復(fù)合物的消耗。這導(dǎo)致纖維素合成停止，并可能是對(duì)病原體感染的一般反應(yīng)，盡管迄今為止僅在尖孢鐮刀菌(F. oxysporum)中觀察到。(E)質(zhì)外體pH的下降導(dǎo)致阿拉伯半乳聚糖蛋白和同型半乳糖醛酸(HG)釋放Ca2+離子，這可能對(duì)響應(yīng)微生物而檢測(cè)到的細(xì)胞溶質(zhì)Ca2+峰有重要貢獻(xiàn)。釋放的Ca2+可以被細(xì)菌胞外多糖隔離，影響對(duì)激活植物免疫很重要的Ca2+動(dòng)態(tài)。(F)為了應(yīng)對(duì)一些微生物的攻擊，植物細(xì)胞會(huì)形成由纖維素、胼胝質(zhì)(紫色鏈)、病程相關(guān)蛋白(PRs)和具有抗菌特性的次級(jí)代謝物組成的乳突。乳突多糖以未知的方式相互作用，盡管胼胝質(zhì)在體外改變了纖維素凝膠的延伸性。(G)植物細(xì)胞通過過氧化物酶(PRXs)和漆酶(LACs)的活性經(jīng)木質(zhì)化(淺棕色鏈)來增強(qiáng)其CW。PRXs與去甲基化的HG結(jié)合，可能有助于在CW損傷部位形成木質(zhì)素。一些微生物被困在新形成的木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)中。微生物可以通過其胞外聚合物清除活性氧。顯示的許多模型都是推測(cè)性的，基于相關(guān)背景(C、D、F、G)的研究或已充分描述的酶的已知活性(E、F)。

3.2 質(zhì)外體pH

據(jù)報(bào)道，質(zhì)外體堿化是植物對(duì)MAMPs/DAMPs的首批反應(yīng)之一，同時(shí)胞質(zhì)Ca2+升高。質(zhì)外體pH主要受質(zhì)膜H+-ATP酶(擬南芥中的AHAs)活性、H+導(dǎo)入?yún)f(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)其他分子的通道和陰離子外流的調(diào)節(jié)。質(zhì)外體中H+減少的確切分子機(jī)制仍不清楚，但這是植物防御微生物所必需的，如在酸性介質(zhì)中生長(zhǎng)的植物所示。因此，為了抵消pH值的增加，各種微生物依賴于質(zhì)外體的酸化來定殖它們的宿主。其中，病原真菌灰霉菌(Botrytis cinerea)和菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)在其宿主的質(zhì)外體中分別分泌檸檬酸和草酸。有益微生物也會(huì)降低質(zhì)外體的pH值以建立它們之間的相互作用，如深綠木霉(Trichoderma atroviride)，真菌和植物AHAs參與質(zhì)外體的酸化。

另一方面，一些微生物受益于堿化的質(zhì)外體，它們?cè)诟腥酒陂g觸發(fā)。這是多種水果感染微生物的情況，如炭疽菌(Colletotrichum spp.)和鏈格孢菌(Alternaria alternata)。但實(shí)際情況更為復(fù)雜，同一病原菌在宿主感染過程中可誘導(dǎo)酸化或堿化，且質(zhì)外體酸化也會(huì)影響植物防御。這些水果病原菌似乎會(huì)分泌小型pH調(diào)節(jié)劑，根據(jù)碳的可用性來增加或降低環(huán)境的pH值，在碳過剩的情況下會(huì)發(fā)生酸化。類似地，最近有報(bào)道稱，尖孢鐮刀菌可誘導(dǎo)質(zhì)外體立即酸化，然后隨著時(shí)間推移發(fā)生堿化。

鐮刀菌(Fusarium spp.)依靠堿性環(huán)境來感染植物，它們通過分泌類似植物快速堿化因子(RALFs)的小肽來達(dá)到這一目的。植物RALFs已被證明與CW結(jié)合的富含亮氨酸重復(fù)伸展蛋白(LRXs)結(jié)合，這可能影響CW的特性。對(duì)于病原體RALF樣，可以設(shè)想類似的相互作用，這可能會(huì)改變植物的CW特性。尖孢鐮刀菌誘導(dǎo)初生質(zhì)外體酸化的機(jī)制、其如何調(diào)節(jié)根內(nèi)pH以及酸化和堿化之間的分子轉(zhuǎn)換發(fā)生尚不清楚。此外，與尖孢鐮刀菌接觸后觀察到的質(zhì)外體pH急劇下降會(huì)通過從質(zhì)膜上去除CSCs和分解皮層微管來?yè)p害纖維素合成機(jī)制，這會(huì)影響植物-真菌相互作用(圖2D)。質(zhì)外體pH的變化及其對(duì)植物-微生物相互作用結(jié)果的影響取決于時(shí)間、器官甚至細(xì)胞層。在不同的病理系統(tǒng)中，植物-微生物相互作用過程中，質(zhì)外體pH值變化的復(fù)雜性需要用更大的時(shí)空分辨率來解開。此外，在相互作用的每個(gè)階段，闡明植物和病原體蛋白質(zhì)對(duì)這些pH變化的貢獻(xiàn)將是至關(guān)重要的。

質(zhì)外體pH不僅影響疾病的發(fā)展，而且對(duì)植物CW也有相關(guān)影響，可改變其物理和化學(xué)性質(zhì)。如上節(jié)中所述，許多CW蛋白的活性受pH調(diào)控，如擴(kuò)張蛋白、XTH/XETs、PMEs和PMEIs(圖2C)。因此，pH的下降可能會(huì)增強(qiáng)擴(kuò)張蛋白對(duì)CW的松弛，通過轉(zhuǎn)糖基化改變水解和交聯(lián)之間的平衡，或增加去甲基化HG殘基的生成(圖2A和B)。此外，質(zhì)外體pH值影響纖維素和果膠的非酶促結(jié)合(圖2C)。因此，微生物對(duì)質(zhì)外體pH的調(diào)節(jié)可能會(huì)改變植物和微生物CWDE與CW修飾蛋白的活性，并可能改變多糖的相互作用，從而使CW重組有利于定殖。

3.3 CW離子：Ca2+和B

CW修飾的檢測(cè)導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)的變化，特別是涉及質(zhì)外體離子。其中，Ca2+離子是PTI中的首批參與者，作為第二信使調(diào)節(jié)植物防御的協(xié)調(diào)或適應(yīng)微生物的存在。Ca2+通過質(zhì)膜上的環(huán)核苷酸門控鈣通道從質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)基質(zhì)，通過活化PRRs磷酸化打開鈣通道。此外，Ca2+可以從細(xì)胞器(特別是液泡)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。其他通道和泵在Ca2+內(nèi)流中的參與及其對(duì)微生物觸發(fā)的植物反應(yīng)的貢獻(xiàn)仍有待充分研究。一旦Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，植物特異性Ca2+依賴性蛋白激酶家族(CDPKs)的功能是解碼Ca2+信號(hào)。CPDKs對(duì)Ca2+具有不同的親和力，因此下游信號(hào)可區(qū)分不同的Ca2+-刺激，如前文所述。

質(zhì)外體Ca2+與含有帶電糖醛酸(GlcA或GalA)的植物CW成分相互作用；即去甲基化-HG和AGPs，塑造CW的結(jié)構(gòu)和剛度，如植物細(xì)胞壁部分所述(圖1C和D)。這種對(duì)pH敏感的Ca2+池可能是來自質(zhì)外體的部分Ca2+內(nèi)流的來源，并可能對(duì)微生物誘導(dǎo)的Ca2+信號(hào)具有重要的放大作用(圖2E)。支持這一點(diǎn)的是，AGP GlcA-殘基的丟失會(huì)損害植物發(fā)育并改變擬南芥在H2O2處理下的Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，但尚未研究此類突變體在植物-微生物相互作用背景下對(duì)Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響。

除了作為Ca2+存儲(chǔ)庫(kù)外，AGP的Ca2+結(jié)合可能使其pH可調(diào)節(jié)多聚化和/或與其他多糖交聯(lián)。如果Ca2+-AGP相互作用有助于質(zhì)膜和/或CW的機(jī)械穩(wěn)定性，pH值的變化可能會(huì)影響這一性質(zhì)。質(zhì)膜是細(xì)胞重要的機(jī)械傳感部分，含有觸覺敏感通道，因此pH誘導(dǎo)的鈣離子釋放可以通過這些通道的打開而被放大。有趣的是，經(jīng)典AGPs在各種病理系統(tǒng)中趨于上調(diào)，包括細(xì)菌和真菌半生物營(yíng)養(yǎng)型維管病原體(如Fusarium spp.和Ralstonia spp.)以及真菌生物營(yíng)養(yǎng)型Erisyphe necator，但在蕓苔屬植物的細(xì)菌生物營(yíng)養(yǎng)病原體(Plasmodiophora brassicae)中卻沒有上調(diào)。尚不清楚內(nèi)流的Ca2+中有多少是可溶的或與CW結(jié)合的，以及僅釋放與CW結(jié)合的Ca2+是否足以觸發(fā)Ca2+峰值和下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

微生物試圖減少植物Ca2+的內(nèi)流，以建立它們與宿主所需的相互作用(圖2E)。細(xì)菌CW成分黃原膠是一種帶負(fù)電荷的聚合物，是一種有效的Ca2+螯合劑，可以抑制擬南芥的免疫反應(yīng)。Ca2+和其他二價(jià)陽離子對(duì)豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)附著在根毛上起著重要作用。這些細(xì)菌的酸性胞外聚合物(EPSs)螯合質(zhì)外體Ca2+，使EPSs凝膠化，充當(dāng)膠水將微生物附著在植物表面。雖然尚未完全了解，但Ca2+在根癌農(nóng)桿菌(Agrobacterium tumefaciens)的根部附著和感染中發(fā)揮作用。除了通過微生物多糖與Ca2+結(jié)合外，Ca2+結(jié)合蛋白也參與了細(xì)菌與根的非特異性附著。綜上所述，Ca2+信號(hào)的抑制似乎在抑制植物PTI的致病性和共生相互作用中起著重要作用。

與Ca2+一樣，硼在植物CW中也具有重要的結(jié)構(gòu)功能。硼以硼酸酯的形式與RG-II相互連接，并可能參與將AGPs和伸展蛋白的聚糖相互連接。在體外，AGPs/伸展蛋白之間的硼酸酯的穩(wěn)定性也受到pH的調(diào)節(jié)。缺硼會(huì)導(dǎo)致植物結(jié)構(gòu)受損并通過導(dǎo)致CW“膨脹”來限制植物生長(zhǎng)。近年來，土壤中硼的積累對(duì)微生物多樣性產(chǎn)生了負(fù)面影響，對(duì)細(xì)菌的影響大于對(duì)真菌的影響。目前還沒有研究表明植物CW硼是否在植物-微生物相互作用中起直接作用，但硼的缺乏和過量積累對(duì)植物和土壤微生物的影響表明該分子可能影響植物-微生物相互作用。

4 植物CW強(qiáng)化防御

4.1 CW多糖

某些多糖的修飾和從頭合成是植物對(duì)微生物定殖反應(yīng)的一部分。胼胝質(zhì)合成在響應(yīng)生物營(yíng)養(yǎng)型病原體的乳突形成中尤為重要(圖2F)，而在某些宿主中，一些被認(rèn)為是半生物營(yíng)養(yǎng)型的真菌并不會(huì)誘導(dǎo)這種植物防御。乳突含有額外的成分，如纖維素、木聚糖、抗菌肽和代謝分子。目前還不清楚為什么胼胝質(zhì)可能為CW提供物理加固，因?yàn)轶w外混合物表明胼胝質(zhì)降低了纖維素的剛度并增加了延展性。這種胼胝質(zhì)誘導(dǎo)的材料行為改變可能有助于防止由于附著胞高壓而引起的細(xì)胞壁脆性斷裂。由于胼胝質(zhì)β-1,3骨架的形狀，它不太可能與其他CW組分(如纖維素)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。也有人認(rèn)為胼胝質(zhì)填充了CW中的孔隙，這可能會(huì)限制CWDEs或效應(yīng)物進(jìn)入CW。

此外，胼胝質(zhì)可能具有非結(jié)構(gòu)性作用，它可能對(duì)植物CW有掩蔽作用，特別是對(duì)真菌病原體。真菌CWs含有β-1,3-葡聚糖，因此，來自菌絲附近胼胝質(zhì)中的高濃度β-1,3-葡聚糖可使真菌將植物感知為自身，從而下調(diào)毒力因子的表達(dá)和/或分泌。據(jù)報(bào)道，在真菌細(xì)胞表面受體中發(fā)現(xiàn)了與多糖(包括木聚糖和β-1,3-葡聚糖)結(jié)合的CW完整性和應(yīng)激反應(yīng)組分結(jié)構(gòu)域，這些受體似乎對(duì)真菌細(xì)胞的發(fā)育很重要。此外，真菌CW完整性傳感途徑調(diào)節(jié)真菌疾病所需的基因表達(dá)，包括次級(jí)代謝物合成。因此，從胼胝質(zhì)中直接感知β-1,3-葡聚糖可能會(huì)影響真菌行為，盡管這一推測(cè)還有待驗(yàn)證。

隨著胼胝質(zhì)沉積機(jī)制的激活，其他幾個(gè)植物多糖合成基因家族在響應(yīng)感染時(shí)被轉(zhuǎn)錄上調(diào)。值得注意的是，在某些情況下，受影響的CW組分尚未得到確認(rèn)。例如，地錢增加了兩種酶的表達(dá)以響應(yīng)卵菌，這兩種酶可能參與木葡聚糖和木聚糖的合成。在一些受感染的植物中，沒有預(yù)測(cè)功能的酶也會(huì)被上調(diào)，特別是纖維素合酶樣家族(CSLs)。擬南芥根感染F. oxysporum后增加了CSLE基因家族成員的表達(dá)。在根瘤病和白粉病感染的葡萄中，相關(guān)的CSLEs也上調(diào)；而甜橙(Citrus sinensis)則上調(diào)CSLB和CSLEs以響應(yīng)細(xì)菌-病毒共感染。另一個(gè)CSL基因AtCSLG2的表達(dá)在感染R. solanacearum的擬南芥中增加。這些CSLE、CSLB和CSLG家族成員的產(chǎn)物尚不清楚，但其他相關(guān)CSL家族成員能夠合成具有β-1,3-和β-1,4-糖苷鍵和甘露聚糖的混合連接葡聚糖?；旌线B接葡聚糖尚未被報(bào)道存在于真雙子葉植物中，但這些CSL亞家族可以合成特殊的纖維素、甘露聚糖、胼胝質(zhì)或一種迄今尚未發(fā)現(xiàn)的多糖以響應(yīng)病原菌感染。這些酶的過表達(dá)、再加上NMR、連接和單糖組成分析將有助于我們發(fā)現(xiàn)它們的產(chǎn)物及其在植物防御中的作用。

植物CW修飾蛋白在響應(yīng)病原體感染時(shí)也會(huì)轉(zhuǎn)錄上調(diào)，尤其是CWDEs。例如，在尖孢鐮刀菌與擬南芥的相互作用中，植物上調(diào)了一些果膠酸裂解酶、果膠酶、甲基和乙酰酯酶以及XTH/XETs。棉花在V. dahliae感染期間上調(diào)果膠酶；地錢在被卵菌感染時(shí)上調(diào)XTH/XET和擴(kuò)張蛋白，而植物XTH/XET在R. solanacearum侵染擬南芥時(shí)上調(diào)。原則上，這些內(nèi)源性酶與病原菌CWDEs具有相似的活性，因此可以作為植物易感因子，如番茄(Solanum lycopersicum)多聚半乳糖醛酸酶、擴(kuò)張蛋白和葡聚糖酶；擬南芥擴(kuò)張蛋白和橙子XTH。

植物CWDEs還可以強(qiáng)化宿主的CW或提高DAMPs的有效性，增加植物的抗性。例如，三室黃麻(Corchorus trilocularis)在感染菜豆殼球孢(Macrophomina phaseolina)期間XTH上調(diào)，可能通過交聯(lián)加強(qiáng)CW。由于果膠的降解依賴于其甲基化程度，因此PME和PMEIs會(huì)影響OGs的生成。此外，據(jù)報(bào)道，PME可使OGs去甲基化，增強(qiáng)其激活防御反應(yīng)的能力。同時(shí)，植物還可以合成蛋白質(zhì)抑制劑，降低自身和微生物CWDEs的活性。其中，PMEIs降低了PMEs對(duì)果膠的去甲基化作用，增強(qiáng)了抗病性。植物CWDEs及其抑制劑對(duì)植物對(duì)微生物反應(yīng)的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步的研究，并將其與特定的生化活性聯(lián)系起來，這些生化活性本身可能是動(dòng)態(tài)的，受pH值和其他質(zhì)外體條件的調(diào)節(jié)。

4.2 ROS和木質(zhì)素

植物質(zhì)外體防御微生物的另一個(gè)必要途徑是通過質(zhì)膜定位的NADPH氧化酶(稱為呼吸爆發(fā)氧化酶(RBOHs))和CW過氧化物酶的作用產(chǎn)生活性氧(ROS)。ROS包括超氧化物(O2.-)、過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(OH.)和單線態(tài)氧(1O2)等高活性分子。ROS作為有毒分子對(duì)抗入侵微生物，并作為信號(hào)分子激活植物防御。此外，ROS通過誘導(dǎo)胼胝質(zhì)合成基因和空間限制的木質(zhì)素沉積，通過CW強(qiáng)化參與物理阻斷入侵途徑。

木質(zhì)素是三種主要木質(zhì)素單體氧化聚合的產(chǎn)物，通過一般的苯丙烷類生物合成途徑在細(xì)胞質(zhì)中合成并分泌到質(zhì)外體。一旦進(jìn)入CW，這些木質(zhì)素單體被過氧化酶/H2O2和/或漆酶/O2氧化系統(tǒng)激活，組裝成最終的木質(zhì)素聚合物。木質(zhì)化是植物對(duì)微生物感染的一種常見反應(yīng)(圖2G)，從觸發(fā)苯丙烷合成途徑開始。在擬南芥-丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)相互作用中，木質(zhì)素單體聚合可以發(fā)生在病原體細(xì)胞周圍的高度受限區(qū)域，其中細(xì)菌周圍的局部木質(zhì)化減少了它們的移動(dòng)。同樣，毒性更強(qiáng)的細(xì)菌菌株具有抑制強(qiáng)烈ROS爆發(fā)和木質(zhì)化的效應(yīng)物。

木質(zhì)素的高含量形成似乎是特定蛋白質(zhì)精確定位和作用的結(jié)果。這一事件在凱氏帶的形成過程中得到了很好的研究，其中CASP蛋白在質(zhì)膜的小區(qū)域與過氧化物酶和RBOHs形成復(fù)合物。過氧化物酶和產(chǎn)生過氧化物燃料的RBOHs的共定位使得木質(zhì)素的薄帶得以形成。病原體誘導(dǎo)的木質(zhì)化可能類似于凱氏帶的形成。事實(shí)上，木質(zhì)素在擬南芥病原菌周圍的沉積依賴于兩個(gè)CASP樣(CASPL)蛋白，其定位于新形成的木質(zhì)素周圍的植物質(zhì)膜上。結(jié)合CASPLs并不是過氧化物酶和漆酶在CW內(nèi)特異性定位的唯一機(jī)制。一些過氧化物酶已被證明能與去甲基化的HG結(jié)合，這可以將它們限制在CW的特定區(qū)域(圖2G)。在微生物誘導(dǎo)的HG去甲基化過程中可以設(shè)想類似的機(jī)制，導(dǎo)致木質(zhì)素形成所需的某些過氧化物酶的定位，以隔離微生物和/或保護(hù)更容易被入侵者降解的果膠區(qū)域。這一假設(shè)和其他假設(shè)仍有待檢驗(yàn)，例如過氧化物酶與其他多糖表位結(jié)合的能力，或漆酶具有相似的多糖結(jié)合能力的可能性。

過氧化物酶還通過交聯(lián)CW中的結(jié)構(gòu)蛋白(如伸展蛋白和AGPs)來促進(jìn)植物防御，最近對(duì)它們?cè)谥参?微生物相互作用中的作用進(jìn)行了綜述。此外，其他過氧化物酶從RBOH衍生的H2O2中合成ROS。因此，調(diào)節(jié)過氧化物酶活性可能是病原體減少CW強(qiáng)化和其他植物防御的機(jī)制。這可以通過控制質(zhì)外體pH來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閜H會(huì)影響過氧化物酶和漆酶的活性。此外，pH對(duì)RBOHs的影響已被預(yù)測(cè)，但尚未完全了解，RBOHs為過氧化物酶和漆酶提供所需的ROS。此外，高質(zhì)子濃度對(duì)ROS分子活性的影響仍有待研究。

鈣離子可進(jìn)一步控制過氧化物酶的活性；因?yàn)橛腥颂岢鲑|(zhì)外體Ca2+的下降可以作為過氧化物酶活性的關(guān)閉開關(guān)。因此，當(dāng)Ca2+在微生物攻擊時(shí)被植物細(xì)胞迅速內(nèi)化，過氧化物酶活性可能受到限制。一些漆酶包括預(yù)測(cè)的鈣調(diào)蛋白結(jié)構(gòu)域，這表明它們也可能受Ca2+的調(diào)控，盡管這些結(jié)構(gòu)域的確切作用尚不可知。微生物也可以通過分泌干擾宿主ROS生成系統(tǒng)的蛋白質(zhì)(如玉米黑粉病的效應(yīng)蛋白PEP1)來最小化木質(zhì)素沉積和其他ROS依賴性植物免疫反應(yīng)。其他微生物已經(jīng)進(jìn)化出隔離ROS的機(jī)制，例如細(xì)菌Azorhizobium caulinodans的EPS，它可以隔離H2O2，從而在Sesbiana rostrata中形成根瘤(圖2G)。條件性病原真菌Alternaria tenuissima在體外產(chǎn)生的EPS具有清除羥基自由基和超氧陰離子的能力，但其在植物體內(nèi)的功能還有待進(jìn)一步研究。近年來，內(nèi)生真菌和病原菌利用植物生長(zhǎng)激素從其EPS中釋放一種保守的寡糖，作為ROS清除劑破壞植物的免疫反應(yīng)。此外，微生物對(duì)質(zhì)外體或根際的酸化降低了植物產(chǎn)生ROS的潛力。 

4.3 軟木脂

與木質(zhì)素一起，軟木脂形成另一層非多糖保護(hù)層，防止病原體進(jìn)入單個(gè)植物細(xì)胞。它構(gòu)成一種疏水屏障，天然存在于種皮、葉表皮細(xì)胞和周皮等特殊組織中，或在創(chuàng)傷和微生物攻擊后特異性形成。軟木脂單體似乎是通過與質(zhì)膜融合并釋放其貨物的囊泡管狀膜結(jié)構(gòu)分泌的。一旦離開細(xì)胞，軟木脂就會(huì)聚合并在質(zhì)膜和CW之間形成一種片層狀結(jié)構(gòu)。

栓化作用似乎主要由維管病原體誘導(dǎo)，以有效限制它們?cè)诰S管束之間的擴(kuò)散并將它們包含在已感染的組織中。在Vitis vinifera和維管病原菌Phaeomoniella chlamydospora的相互作用中，木質(zhì)素沉積被證明是病原菌在木質(zhì)部導(dǎo)管間傳播的限制性因素。類似地，最近有報(bào)道稱，番茄對(duì)R. solanacearum的抗性需要木質(zhì)素-軟木脂涂層的沉積和酪胺衍生的羥基肉桂酸酰胺。維管病原體感染后的軟木脂沉積受轉(zhuǎn)錄因子MYB41的正向調(diào)節(jié)，MYB41的啟動(dòng)子在脅迫條件下被特異性誘導(dǎo)，其過表達(dá)導(dǎo)致各種植物物種和組織類型的異位木栓化。

在植物-微生物相互作用的背景下調(diào)節(jié)軟木脂沉積可能需要額外的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。最近描述的與MYB41一起足以促進(jìn)內(nèi)胚層軟木脂沉積的MYB是在生物脅迫下誘導(dǎo)相同過程的候選者，但這一作用必須得到證實(shí)。此外，了解細(xì)胞壁中的軟木脂組裝也很重要，這很可能通過類似于角質(zhì)合酶的酯交換作用發(fā)生。此外，在植物定殖過程中微生物對(duì)軟木脂的降解尚不清楚，盡管已經(jīng)鑒定出多種軟木脂酶，但仍需要進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

植物CW是植物細(xì)胞中動(dòng)態(tài)的、相互作用的部分，其性質(zhì)隨著CW修飾酶的作用、離子組成的改變和新物質(zhì)的合成而發(fā)生變化。這些變化在植物-微生物相互作用的環(huán)境中特別活躍，其中生物都會(huì)改變植物CW及其環(huán)境，并且在不同的時(shí)間點(diǎn)，同一生物可能會(huì)逆轉(zhuǎn)早期的變化。

目前為止，植物CW在宿主-微生物相互作用中的作用的研究主要集中在單個(gè)CWDEs在致病中的功能重要性，CWDEs產(chǎn)物作為DAMPs的作用以及合成新的CW材料作為防御反應(yīng)。這些仍然是主要的研究領(lǐng)域；例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的CW衍生的DAMPs，其受體未知，據(jù)報(bào)道許多質(zhì)膜受體會(huì)影響抗病性，但它們的配體和/或在植物防御中的確切作用尚未確定。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在這一領(lǐng)域可能有用，如空間蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)，以確定對(duì)疾病或特定信號(hào)作出反應(yīng)的受體和信號(hào)元件。此外，植物對(duì)其自身CW衍生的DAMPs和微生物產(chǎn)生的DAMPs反應(yīng)的協(xié)調(diào)是一個(gè)有待進(jìn)一步探索的重要課題。植物CW相關(guān)變化(多糖和離子)的動(dòng)態(tài)和亞細(xì)胞特性意味著有必要以更高的時(shí)間和空間分辨率監(jiān)測(cè)相互作用，例如在不同的細(xì)胞層和細(xì)胞區(qū)域。這應(yīng)該可以通過適應(yīng)各種病理系統(tǒng)、高分辨率顯微鏡和植物生物學(xué)領(lǐng)域目前可用或開發(fā)中的新探針來實(shí)現(xiàn)。我們還需要使用低溫電子顯微鏡、固態(tài)核磁共振和原子力顯微鏡等技術(shù)研究植物生長(zhǎng)過程中植物CW結(jié)構(gòu)和機(jī)械變化以及對(duì)微生物定殖的響應(yīng)。將這些知識(shí)與計(jì)算模擬相結(jié)合，將使我們能夠分析植物CW結(jié)構(gòu)和組分與機(jī)械性能之間的關(guān)系。與此同時(shí)，重要的是對(duì)大基因家族(如擴(kuò)張蛋白、XTHs和CSLs)的個(gè)體成員進(jìn)行生物化學(xué)表征，以了解它們?cè)谔囟ㄖ参?微生物相互作用中的功能。CW作為植物細(xì)胞的重要組成部分，在植物與微生物的相互作用中起著至關(guān)重要的作用，因此繼續(xù)研究CW結(jié)構(gòu)和組成與其性質(zhì)的關(guān)系，以及這些性質(zhì)如何被修飾以響應(yīng)環(huán)境脅迫并與植物生長(zhǎng)發(fā)育相協(xié)調(diào)具有十分重要的意義。

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