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植物PR1的身世之謎：一段從免疫標記到核心訊息的分子旅程

在植物科學的研究中，有一個名字如影隨形：病程蛋白一號（Pathogenesis-related Protein 1, PR1）。這個自1970年代以來廣為使用的分子標記，長期被視為植物感染後啟動防禦反應的象徵，卻始終無人能明確描述它的真正功能。為何這位出場頻繁的「老面孔」，竟等到半世紀後才逐漸顯露其關鍵角色？

植物因其固著的生活方式，無法如動物般逃避威脅，更不具備能主動追擊病原的移動性免疫細胞。為了在靜止中抵禦外敵，植物卻演化出一套不亞於動物、甚至在複雜性上遠超的分子防禦機制，能在偵測到威脅的初期即啟動化學訊號，進行區域性防禦反應。更令人驚豔的是，植物能透過受威脅細胞釋放訊號，通知未受侵擾部位提早進入警戒狀態。

這一機制早已被認為受到兩大防禦信號分子調控：茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）與水楊酸（Salicylic Acid, SA）。JA主要在植物受機械性傷害後產生，可提升植物對嚼食性昆蟲與破壞營養型病原體的抗性，並具備遠距傳遞能力，啟動全株防禦。而SA則是植物對抗共生或半共生營養型病原（可能是病毒、細菌與真菌）所啟動的核心分子，誘發廣效性防禦反應。然而，SA本身無法自細胞中釋放，植物究竟如何將局部感知的威脅轉化為全身警訊，一直是植物免疫學未解的謎題。

SA啟動的經典下游事件之一，是誘導病程蛋白一號（Pathogenesis-related protein 1, PR1）的大量表達。PR1是首個被鑑定出能在植物受感染時大量累積的蛋白質，自1970年代以來即廣泛作為植物免疫活化的指標。雖然之後陸續發現了17種PR蛋白（PR1-PR17），其中部分具直接抗病功能，PR1自身的免疫角色卻始終不明。

PR1：從被動標記走向主動訊號

自2007年起，我們團隊於中研院農業生物科技研究中心成立後即著手探索植物尚未被鑑定的細胞訊息肽（Signaling Peptides）或稱胜肽細胞素（Peptdie Cytokine），類似於動物界早在1920年代便發現的胰島素等胜肽細胞素。在植物中，這類分子因合成器官分散、濃度極低，且多由前驅蛋白透過未知酵素剪切而成，導致即使搭配高靈敏度的質譜儀，也難以直接鑑定。這使得植物界第一個被發現的細胞訊息肽：系統素（Systemin）晚至1991年才第一次被發現以及證實¹。雖然基因體預測指出植物可能擁有數量遠超動物的細胞訊息肽編碼潛力，但多數候選肽僅止於計算推論，缺乏實際存在與生理功能的實驗驗證。

2014年，我們開發的內生胜肽比對演算法結合質譜分析，首次於番茄的傷害反應中，不僅定量捕捉到系統素的產生，更發現一段前所未見、由PR1蛋白末端剪切而成的11個胺基酸肽段。這段肽段的結構域（domain）在演化上極為保守，從雙子葉到單子葉植物均有保留，可追溯至植物首次登陸的早期階段²。我們將此肽段命名為 CAPE（CAP-derived PEptide），因其源自屬於CAP蛋白超家族（Cysteine-rich secretory proteins, Antigen 5, and PR1）的PR1蛋白（見圖一A）。這不僅是首度利用定量質譜直接鑑定出全新植物細胞訊息肽，也首度指出PR1不只是防禦的「結果」，而是「訊號的起點」。

實驗進一步顯示，即便是極微量的CAPE（如100 nM）噴灑於番茄葉面，即可顯著增強其對昆蟲與病原的抵抗力（圖一B），顯示CAPE為強效的防禦啟動訊號。我們推估，合成僅一克CAPE，足以喚醒約一萬株番茄的免疫反應，這為發展低農藥、高效率的農業策略，開啟了前所未有的可能。

圖一｜CAPE訊息肽的序列保留性與免疫促進功能

(A) 番茄CAPE1訊息肽在前驅蛋白PR1中的位置示意，顯示其位於C端CNYD蛋白酶識別序列後（胺基酸149–159）。序列保留性分析顯示，CAPE1高度保守，分布於茄科、葡萄科、十字花科、豆科與禾本科等多個植物亞科。圖中標示：SP（訊息肽域）、CAP（CAP超家族蛋白域）、CNYD（蛋白酶辨識序列）、CAPE（細胞訊息肽區段）。(B) 外源施加100 nM CAPE1顯著抑制番茄葉片上斜物夜盜蛾幼蟲生長，並提升對細菌性病原Pst DC3000的抗性（菌落數顯著下降），證實其具廣效免疫促進作用。

謎底揭曉：PR1於系統防禦的角色以及其剪切者XCP1的發現

鑑於PR1為外泌型蛋白質，我們提出假說：其C端剪切產物CAPE可能為一種新型的細胞外訊息肽。為驗證此一機制，我們在阿拉伯芥中建立多個突變體，包含：缺乏CAPE序列（PR1^ΔCAPE9）與無法進行CAPE剪切反應的點突變株（PR1^D150A），並與野生型PR1進行比較。結果顯示，只有能產生CAPE的PR1才足以於局部病原感染後誘導系統性抗病反應，首次明確證實了PR1與CAPE在啟動植物全株免疫中所扮演的核心角色（圖二A）。³

我們進一步鑑定出一種專一性極高的胞外蛋白酶──木質部半胱胺酸蛋白酶一號（Xylem Cysteine Peptidase 1, XCP1），其能辨識PR1中CNYD序列並剪切其下游，釋放出CAPE9肽段（圖二B）。XCP1的活性受到pH值與鈣離子濃度調控，且於攝氏22度下最為活躍，此溫度敏感性也呼應近期研究對高溫削弱植物免疫反應的觀察⁴。

本研究亦釐清了水楊酸（SA）在系統性免疫中的下游訊號爭議。先前ics1（SA生合成）與npr1（SA訊號感知）突變株皆顯示無法藉由flg22啟動系統性免疫反應。然而，我們發現這些突變體在施加外源CAPE9後仍可恢復其防禦能力（圖二C），強烈支持CAPE為SA-NPR1下游的必要訊號分子，補足其傳導機制的空白。

當XCP1本身突變時，即便PR1存在，CAPE依然無法生成，導致系統性防禦反應顯著降低，與PR1突變株表現一致，進一步鞏固了「SA–NPR1–PR1–XCP1–CAPE」此一分子路徑的功能鏈結。這條路徑展示了植物如何將局部病原感知事件，轉化為廣泛系統免疫的關鍵訊號傳遞模式。（圖二D）

病原也懂「反間計」：一場分子情報戰的攻防演化

在植物與病原體漫長的演化軍備競賽中，病原絕非被動的角色。近期研究指出，部分病原菌會釋放特定效應蛋白，專門抑制XCP1的酵素活性，進而阻止CAPE的產生。更進一步的策略，則是透過促使PR1重新內移至細胞內部，避免其暴露於胞外空間，使其免於XCP1的剪切作用。除此之外，某些病原甚至能模仿CAPE訊息肽的結構，干擾其訊號傳遞，進一步破壞植物防禦系統的正確啟動。（圖二D）

這些「反間計」般的精密策略，展現了病原體如何針對植物防禦系統的關鍵節點進行破壞，突顯CAPE作為訊號轉譯樞紐的重要性。也因此，PR1–XCP1–CAPE軸線不僅是防禦之道，更是病原鎖定的「命門」。

圖二｜PR1與CAPE9在植物系統性免疫中的關鍵角色與機制

(A)阿拉伯芥野生型（WT）在局部感染細菌株（P19）後，可成功啟動遠端葉片的系統性抗病反應。反之，pr1突變株完全喪失此能力；僅有補回完整PR1基因可恢復防禦力，而缺乏CAPE區段（PR1^ΔCAPE9）或剪切功能缺陷突變型（PR1^D150A）皆無效，證實CAPE為系統性免疫不可或缺的關鍵元件。
(B)PR1蛋白結構圖示，顯示XCP1辨識並剪切的CNYD基序及其後所釋放之CAPE肽段所在位置（胺基酸146–161）。
(C)系統性免疫仰賴SA訊號路徑：在SA合成（ics1）或感知（npr1）突變背景下，flg22誘導反應受阻；但施加CAPE仍可恢復免疫反應，說明其作為SA下游訊號的功能地位。
(D)機制總結圖：病原相關分子flg22經FLS2受器啟動局部防禦，經由SA活化NPR1啟動PR1表達，再由XCP1剪切產生CAPE，啟動遠端系統性抗性。環境溫度以及病原效應蛋白可能對此機制施加干擾。藍色箭頭為本研究新揭示路徑，黑色箭頭代表既有已知機制。

結語：從根本重新認識植物的智慧

回顧這條從水楊酸、PR1到CAPE的訊號軸線，我們揭示了一條貫穿植物演化歷程至今仍保留的核心防禦路徑。本研究不僅解開了PR1半世紀年來的功能謎團，更構建出植物如何將局部威脅迅速轉譯為全株警戒的全新分子圖譜。

在氣候變遷與病原壓力日益加劇的時代，理解此一系統不僅有助於應對植物免疫效能衰退的挑戰，也為發展低碳、高效率、對環境友善的作物防禦策略鋪設科學基礎。當我們重新解碼植物的語言，也正在為人類與自然的共生未來，尋找新的答案。

1. Pearce, G., Strydom, D., Johnson, S. & Ryan, C.A. A polypeptide from tomato leaves induces wound-inducible proteinase inhibitor proteins. Science 253, 895-897 (1991).

2. Chen, Y.L. et al. Quantitative peptidomics study reveals that a wound-induced peptide from PR-1 regulates immune signaling in tomato. Plant Cell 26, 4135-4148 (2014).

3. Chen, Y.L. et al. XCP1 cleaves Pathogenesis-related protein 1 into CAPE9 for systemic immunity in Arabidopsis. Nat Commun 14, 4697 (2023).

4. Kim, J.H. et al. Increasing the resilience of plant immunity to a warming climate. Nature 607, 339-344 (2022).