解密植物免疫系統長達五十年謎團：成功揭開致病蛋白一號（Pathogenesis-related Protein 1, PR1）之神秘面紗

這項重大的研究突破由中研院農生中心副研究員陳逸然博士帶領的科研團隊完成，揭示了植物偵測病原菌入侵時將免疫指標蛋白PR1轉化成可直接活化植物全身防禦細胞素CAPE之關鍵酵素機制。在植物無法有效產生或是感知主要防禦賀爾蒙水楊酸時，局部施加微量合成之CAPE仍可有效活化植物全身之防禦力。此成果為未來提高作物抵禦病害的能力奠定了基礎，並對全球氣候暖化導致作物免疫力弱化問題帶來全新的解決方向與觀點。
該研究於今年(2023)8月刊登於自然通訊(Nature Communications)，全文連結(https://www.nature.com/articles/s41467-023-40406-7)。
 

當植物(包括農作物)一感受到病原菌侵害時，即迅速啟動全身且廣效性之防禦反應以抵禦局部感染並預防下一波病源菌入侵尚未感染的區域。此防禦之中樞機制與水楊酸之合成和感知有關，並直接體現在其下游調控機制PR1蛋白的表現。PR1為最早期發現的植物致病指標分子並已被廣泛用於監測植物免疫反應的研究上，然而自1970年前首次發現此蛋白以來，其在植物免疫反應的生理功能和活性一直是科學界的未解之謎。

此研究的重要突破為成功確立了PR1的生理功能，證實PR1為一高活性的免疫細胞素CAPE的前軀蛋白。研究結果顯示當植物遭受細菌感染時，要啟動全身性的防禦反應，必須通過一種類胱天蛋白酶(Caspase)，將PR1中的CAPE片段釋放出來，而此酵素依其功能特被命名為CAPE專一產出酵素(Enzyme Specific for CAPE Production, ESCAPE)。本研究進一步發現，這種具ESCAPE功能的蛋白為XCP1，並且其產出CAPE之酵素活性對溫度的敏感度高。值得注意的是，缺乏XCP1的植物無法有效在植物偵測到細菌入侵徵兆後啟動全身性防禦反應。另外，此研究還揭露即使植物無法合成或感知水楊酸，直接施加極少量的CAPE仍能夠有效啟動植物全身性防禦反應。
 

由於水楊酸為植物對抗病原菌的中樞訊息分子，許多病原體會透過各種方式抑制其機制以大幅提高感染植物的機會。近期的報導更指出暖化的氣候會直接影響水楊酸所控制之廣效防禦反應，結合本研究的發現，該現象可能與植物ESCAPE(XCP1)酵素活性有關。因此，直接施加CAPE胜肽或最佳化植物內生成CAPE之機制將有助於廣泛提昇對抗病害的防禦力。此研究成果不僅對增強農作物的抗病能力具有重要意義外，且對於全球暖化對植物免疫力的影響提供了嶄新的解決方向。

Ying-Lan Chen, Fan-Wei Lin, Kai-Tan Cheng, Chi-Hsin Chang, Sheng-Chi Hung, Thomas Efferth & Yet-Ran Chen (2023) Deciphering a Half-Century Enigma: Unveiling the Role of Pathogenesis-Related Protein 1 (PR1) in Plant Immunity Nature Communications, Aug.4, 2023