Nature Plants | NLR蛋白在小麦抵抗条锈病过程中的作用新机制

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作物病害导致全球小麦减产约25%，严重影响食品安全。因此，研究小麦抗病分子机制具有重要意义。NLR家族蛋白（nucleotide-binding and leucine-rich repeat proteins）被认为是细胞内的病原菌感受器，通过触发植物细胞死亡从而阻止病原菌侵染范围的扩散。NLR蛋白常具有NB-ARC结构域，其蛋白C末端常携带LRR结构域。最近的研究表明，NLR蛋白还具有其他保守结构域，这其中包括锌指结构BED结构域 (BED-NLRs)。BED结构域的功能未知，有研究报道拟南芥中的BED结构具有DNA结合的功能。水稻研究中发现，BED-NLR基因Xa1对细菌疫病具有抗性，暗示该结构域可能对NLR蛋白行使功能具有重要作用 (Yoshimura et al., 1998)。

近日，Nature Plants在线刊登了英国John Innes Centre Cristobal Uauy研究组题为“BED-domain-containing immune receptors confer diverse resistance spectra to yellow rust”的文章，解析了BED-NLR蛋白Yr7、Yr5和YrSP在小麦抵抗条锈病过程的作用机制。

小麦抗病基因Yr7和Yr5均定位在六倍体小麦2BL染色体臂，并被推测为等位基因，与YrSP物理位置紧邻 (Feng et al., 2015)。为了克隆这三个基因，研究者鉴定到携带这三个基因的EMS诱变突变体。利用MutRenSeq方法，作者鉴定了三个DNA重叠片段，与之前鉴定的三个Yr基因座位置一致。通过分析RNA-seq数据，研究者预测了三个基因的基因结构，它们的内含子与外显子结构十分类似。YrSP是Yr5的截断版本，基因相似性达到99.8%，而Yr5与Yr7的基因相似性则为77.9%。说明Yr5和YrSP是从同一段序列演化而来的一对等位基因，Yr7则是相似度较高的完全不同的另一个基因。

Yr7, Yr5与YrSP均编码携带BED及NB-ARC结构域的NLR蛋白，除此之外，Yr7和Yr5的C末端还有LRR结构域。Yr7的BED结构域的单碱基突变导致小麦对病原菌抗性丧失，说明BED结构域对Yr7行使功能是必须的，但它并不能作用于病原菌的特异性识别。进一步通过对八个已测序的四倍体及六倍体小麦进行序列分析，作者鉴定了5类Yr5/YrSP的单倍型，分别包含了不同类型的氨基酸突变或者缺失状态，它们都产生了不同程度的对病原菌的敏感性，说明这些不同形式的氨基酸变化可能影响了Yr5/YrSP蛋白的功能。许多研究表明，NLR蛋白的保守结构域可以作为诱饵 (decoy)，诱导病原菌效应因子与其结合而不作用于宿主蛋白。这说明这些保守结构域的序列可能与宿主蛋白具有高度相似性。为了鉴定这些效应因子的靶标，研究者在六倍体小麦基因组中检索全部的含有BED结构域蛋白，其中包括25个BED-NLR蛋白。通过分析序列同源性，作者发现BED蛋白具有非常大的多样性，而BED-NLR蛋白的BED结构域则同源性更高。

BED结构域在小麦基因组中具有多样性

综上所述，作者通过表型鉴定及组学分析，成功鉴定了Yr7, Yr5与YrSP的基因结构及BED结构在植物抗病途径中的作用。后续对该结构的多态性及功能分析可为揭示植物与病原菌互作机制进而实现分子辅助育种具有重要理论指导意义。

参考文献

Feng, J. Y. et al. Molecular mapping of YrSP and its relationship with other genes for stripe rust resistance in wheat chromosome 2BL. Phytopathology 105, 1206–1213 (2015).

Yoshimura, S. et al. Expression of Xa1, a bacterial blight-resistance gene in rice, is induced by bacterial inoculation. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 95, 1663–1668 (1998).

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