免疫系統也會「少見多怪」

小毛氈苔。圖片來源：維基百科

我在美國的前五年住在外國人較少的地區，後來的三年住在外國人很多的地區。有意思的是，在外國人少的地區，發生排外事件的狀況要多很多。我聽到的說法是，在外國人多的地區的美國人，因為見識得多了，所以就見怪不怪了。

最近看到一篇有趣的論文，裡面提到不同植物的免疫系統的變化。動物有所謂的「先天免疫」（innate immunity）與後天免疫（adaptive immunity，或者也稱為適應性免疫），植物的免疫系統雖然與動物大不同，但也分成兩套。

其中一套，是所謂的「模式觸發免疫」（PTI，Pattern-triggered immunity），另一套則是「效應子觸發免疫」（ETI，Effector-triggered immunity）。

其中的「模式觸發免疫」，是由「模式識別受體」（PRR，Pattern Recognition Receptors）辨認出保守的病原相關分子模式來達成，發生反應的速度很快，對植物提供第一線的基礎防禦；而「效應子觸發免疫」則是由「NLR」受體（Nucleotide-binding site–Leucine-rich Repeat receptors）識別特定的病原體分子之後所引發，能提供植物專一性較高的防禦，但是反應速度就比模式觸發免疫要慢。

看到這裡，或許有讀者會說：這不就是動物的「先天免疫」與「後天免疫」系統嗎？雖然是有點像，不過還是有許多根本上的不同。

首先，動物的後天免疫可以透過體細胞的基因重組來產生新的抗體，但是植物的NLR是經由基因產生的固定受體。另外，植物也無法像動物一樣產生所謂的「免疫記憶」，也就是說，植物沒有什麼「得過一次就終身免疫」的這種好事情。

其次，動物的後天免疫可在個體中快速演化，但是植物的NLR只能透過世代間的基因複製與突變來進行演化，以產生新的識別能力。

最後，從作用機制來看，動物後天免疫牽涉到特化的免疫細胞，但是植物的NLR系統存在在每個細胞中（一種「全民皆兵」的概念）；另外，動物有免疫細胞可以巡弋全身，但是植物既沒有這樣的細胞，也無法產生類似抗體的流動性免疫分子。

所以，雖然將植物的免疫系統與動物的做類比可能有助於初步理解（或許也比較容易記憶），但這可能會誤導我們對植物免疫系統本質的認識。也就是說，植物已經演化出了自己獨特的免疫策略，這與動物的免疫系統有著根本上的不同。

研究團隊為什麼會對免疫系統的演化感興趣呢？原來是因為他們已經從先前的研究注意到在水生、食蟲和寄生植物的NLR基因似乎有收縮趨勢。但是，因為當時能彙整的基因體資料有限，只能研究很少的特殊生活方式物種，所以難以遽下結論。

如今，隨著更多基因體資料的出現，他們發現現在可以進行更全面的驗證了。他們想要透過分析這些植物的基因體，來解答幾關鍵的科學問題：

1. 病原體壓力的改變是否會驅動植物免疫基因的擴張或收縮？

2. 特殊生態適應如何影響植物的免疫系統演化？

3. PRR和NLR這兩層免疫系統是否會表現出不同的演化模式？

於是，他們彙整了808種植物的基因體資料。在這808個被子植物中，特殊生活方式或特殊棲息地的物種（以下簡稱為SLH物種）共有98個：

特殊生活方式的物種（57個）:

1. 水生植物（Aquatic plant）: 30個

2. 食蟲植物（Carnivorous plant）: 10個

3. 寄生植物（Parasitic plant）: 13個

4. 菌內寄生植物（Mycoheterotrophic plant）: 4個

特殊棲息地的物種（41個）:

1. 沙漠植物（Desert plant）: 30個

2. 紅樹林植物（Mangrove plant）: 11個

其餘的713個為非特殊生活方式/棲息地（non-SLH）的物種。

然後，他們透過過比較這98個SLH物種與713個非SLH物種的差異，想要回答上面的幾個關鍵問題。

當然，首先，他們如何確認這些SLH物種的確面臨較少的病原體壓力呢？

根據論文內容，研究團隊是從以下幾個方面推論這些特殊生活方式或棲息地的植物面臨的病原體較少。

對水生、食蟲和寄生植物來說，他們認為水生環境減少了與陸生病原體的接觸機會；另外，這些植物的組織經常出現退化（例如部分根系或葉片的缺失），這也降低了可能被病原體攻擊的敏感組織數量；而寄生植物則可能會依賴宿主的免疫系統來抵抗病原體（傭兵？）。

至於菌內寄生植物，因為它們主要依賴真菌獲取養分，造成許多物種缺乏根或葉，當然也減少了會被感染的部位；另外，與真菌的共生關係可能提供某種程度的保護。

對沙漠植物來說，乾旱和高溫變化降低了土壤微生物的多樣性。許多生態研究都顯示，沙漠環境的微生物數量與種類相對較少。

而生長在潮間帶的紅樹林，面臨高鹽度、水淹和缺氧等壓力。這種不穩定且極端的環境條件也不利於大多數病原體的生存。事實上，也有研究顯示，這些環境中的病原體相對較少。

不過，要注意的是，論文並沒有直接測量這些植物面臨的實際病原體壓力，而是基於已有的生態學研究和環境特徵進行推論。這是一個潛在的研究限制，未來可能需要更多直接的實驗證據來驗證這一假設。

所以，他們發現了什麼呢？

研究團隊發現，特殊生活方式和棲息地對植物免疫系統的確造成影響。簡而言之，SLH物種的免疫系統的確有「退化」的現象。

而這個影響，在NLR和PRR之間也確實存在著差異，對NLR的影響更顯著。

研究團隊發現，SLH物種的NLR基因數量顯著減少。與非SLH近緣物種相比，更多的SLH物種表現出明顯的NLR基因收縮。在98個SLH物種中，有67個有非SLH物種可以做對照；研究團隊發現，這67個SLH物種表現出明顯的NLR基因收縮。分析顯示，SLH物種經歷了更多的NLR基因丟失和更少的基因複製事件。

另一方面，特殊生活方式和棲息地對PRR的影響較輕。他們發現，有一些SLH物種雖然NLR基因減少，但PRR基因數量並未出現顯著變化。這意味著，在同一物種中，PRR和NLR基因可能有不同的收縮模式。

為什麼會這樣呢？研究團隊認為，因為PRR識別的是保守的PAMPs，這樣的能力等於是最基礎的免疫能力。因此，即使在病原體壓力降低的環境中，保留基礎免疫能力仍然非常重要（就算有電腦，總不能連123都不會數了吧？）。

相對的，NLR主要是用來識別快速進化的效應子。在病原體減少的環境中，維持大量NLR的成本可能超過好處。因此，在這樣的環境中，就沒必要還維持著一大套的NLR了。

這個發現告訴了我們，植物免疫系統在生態適應過程中的演化趨勢。基礎免疫（PRR系統）相對更為保守，而特異性免疫（NLR系統）則更容易受到環境選擇壓力的影響。

在過去，我們對植物免疫受體在生態適應中的演化了解有限。這是第一次有研究團隊針對對植物免疫受體的演化進行系統性研究，透過分析更多類型的特殊生活方式/棲息地植物，來探索植物免疫系統與演化的關聯。

有趣的是，至少以食蟲植物來說，由於食蟲植物近年來已經是熱門的園藝植物，養殖食蟲植物的人發現，食蟲植物比較容易受真菌感染，在栽培環境中也特別容易生病。而在這篇論文中也發現，食蟲植物的NLR基因顯著減少，有些物種的EDS1/RNL信息傳導路徑甚至出現完全缺失的現象，而它們的PRR也有一定程度的減弱。

總而言之，這項研究試圖透過大規模的比較基因體學分析，來理解植物免疫系統如何因應生態適應而演化，這對於理解植物與病原體的交互作用以及植物的生態適應都具有重要意義，也對理解植物免疫系統的功能機制提供了一個新視角。

所以，就像居住在不同地區的人們一樣，見多識廣的植物對外來者自有一套應對之道，並不會大驚小怪；反而是居住在外人比較少的地方的植物，隨便一個外人出現，都可能讓它們引起激烈的反應呢！

參考文獻：

Li, S.-X., Liu, Y., Zhang, Y.-M., Chen, J.-Q., & Shao, Z.-Q. (2025). Convergent reduction of immune receptor repertoires during plant adaptation to diverse special lifestyles and habitats. Nature Plants. https://doi.org/10.1038/s41477-024-01901-x