植物免疫受体NLR的“七十二变”

在一文中，我带大家了解了植物免疫受体NLR典型的“三段式”结构。NLR的三个结构域 （CC, NB-ARC, LRR） 可以完美配合，形成一个精妙的“分子开关”，在适当的时机启动植物的免疫系统，以抑制或减少病原侵染对植物的伤害。虽然不同NLR蛋白的基本结构比较保守，但是要应对成千上万种病原生物，仅靠这种结构的保守性显然是不够的。NLR必需具有足够的多样性，才会有能力识别成千上万种病原菌。在和病原生物数百万年斗智斗勇共同进化的过程中，NLR免疫受体练就了一身 “七十二变”的本领，可以识别以及快速适应不断演化的各种病原生物，保证植物的正常生长。

《西游记》中孙悟空有一个非常厉害的本领，当遇到法力高强的妖怪时，孙悟空拔下毫毛吹一口仙气，立刻就会变化出成千上万只猴子，帮助他降妖除魔，战无不胜。正所谓“猴多势众”。以现代生物学的观点来看，每一只毫毛变幻出的猴子，都可以看作是孙悟空的一个“拷贝”。有意思的是，在应对各种病原生物时，植物NLR免疫受体也采用了类似的策略。

许多研究表明，植物NLR基因和基因组中的拷贝数变异 （CNV, copy number variation） 区域相关。不同植物中NLR的拷贝数有着数量级的差异。比如，双子叶模式植物拟南芥基因组中编码149个NLR基因 【1】 ， 单子叶模式植物水稻中有480个NLR基因 【2】 ，而普通小麦基因组中的NLR基因数达到1000多个 【3】 。植物增加NLR拷贝数最主要的方式是串联重复 （tandem duplication） ，这导致许多NLR基因在基因组中成簇 （gene clusters） 存在。

不同植物基因组中NLR的数量比较 【3】

整体来说，木本植物基因组中的NLR数量要多于其他类型的植物。这可能和该类植物生长周期长，被各种病原生物侵染的机会更多有关。基因组中更多的NLR提供了更加广谱的病原菌识别能力，并且增加了基因重组产生新型NLR的概率 【4】 。

拟南芥基因组中许多NLR基因成簇分布 【1】

除了不同植物基因组中NLR的数量有变化，对于同一物种中的某一个NLR基因，其等位基因多样性 （allelic diversity） 一般也高于其他基因。点突变是NLR等位变异的一种重要方式。研究人员对24个拟南芥种质资源中的NLR基因RPP13的序列进行比较后发现，其氨基酸水平的多样性要明显高于其他基因；并且，这些变异主要集中在LRR结构域 【5】 。这一结果说明，病原菌侵染对NLR蛋白不同结构域的选择压力是不同的 【6】 。无独有偶，科研人员在大麦、小麦和莴苣中也发现了类似的现象 【3】 。随后的实验结果证明，LRR结构域的多态性决定了NLR基因识别病原菌effector的特异性。因此，LRR变异可以赋予NLR识别新型病原菌的潜力，并且会经受自然选择的筛选。

拟南芥RPP13中的变异分布情况 【5】

除了点突变，基因重组也在NLR多样化的过程中发挥重要作用。现在的证据表明，NLR基因之间的非常规重组 （illegitimate recombination） 是LRR结构域重复数变化的主要方式，可引起LRR重复数的快速增加或减少，进一步增加NLR识别不同effector的潜力 【7】 。另外，如果NLR基因和其他基因 （比如WRKY, NAC） 发生重组，可以引起其他基因的结构域融合到NLR上，进一步丰富NLR结构和功能的多样性。比如，拟南芥NLR基因RRS1的C端就融合了一个WRKY结构域。进一步研究发现，这种基因融合现象在植物NLR基因中是非常普遍的。许多NLR基因除了保守的三大结构域，还具有一些其他基因典型的结构域 【8,9】 。一些整合到NLR上的其他结构域可以作为捕获effector的诱饵，保护植物的免疫系统，这就是著名的整合诱饵模型 （integrated decoy model） ，具体机制我们在后续推文中会专门介绍。

NLR整合其他结构域示例及整合结构域分布词云 【8-9】

另外，有些基因重组事件还会引起NLR的结构域丢失，产生截短NLR （truncated NLR） 。截短NLR在各种植物中也是普遍存在的，并且也在植物免疫中发挥非常重要作用。有意思的是，虽然截短NLR的结构域不完整，但是它们也能发挥和完整NLR相似的功能：可以直接或间接识别effector并诱发植物免疫 【3】 。这其中又有着怎样的奥秘呢？我们也会在后续推文中详细介绍。

综上所述，通过基因复制、点突变以及基因重组，NLR可以获得足够丰富的多样性，以应对成千上万种不断进化的病原菌的侵染。正所谓：“什么魔法狠毒，自有招数神奇。八十一难拦路，七十二变制敌”。

至此，我们已经了解了NLR蛋白的结构组成及其丰富的多样性。那NLR到底是如何识别病原菌的？识别病原菌后又是如何引起植物免疫的？敬请关注下期推送！

参考文献

【1】Meyers, B. C., Kozik, A., Griego, A., Kuang, H., & Michelmore, R. W. (2003). Genome-wide analysis of NBS-LRR–encoding genes in Arabidopsis. The Plant Cell, 15(4), 809-834.

【2】Zhou, T., Wang, Y., Chen, J. Q., Araki, H., Jing, Z., Jiang, K., ... & Tian, D. (2004). Genome-wide identification of NBS genes in japonica rice reveals significant expansion of divergent non-TIR NBS-LRR genes. Molecular Genetics and Genomics, 271(4), 402-415.

【3】Baggs, E., Dagdas, G., & Krasileva, K. V. (2017). NLR diversity, helpers and integrated domains: making sense of the NLR IDentity. Current opinion in plant biology, 38, 59-67.

【4】Yang, S., Zhang, X., Yue, J. X., Tian, D., & Chen, J. Q. (2008). Recent duplications dominate NBS-encoding gene expansion in two woody species. Molecular Genetics and Genomics, 280(3), 187-198.

【5】Rose, L. E., Bittner-Eddy, P. D., Langley, C. H., Holub, E. B., Michelmore, R. W., & Beynon, J. L. (2004). The maintenance of extreme amino acid diversity at the disease resistance gene, RPP13, in Arabidopsis thaliana. Genetics, 166(3), 1517-1527.

【6】Mondragón-Palomino, M., Meyers, B. C., Michelmore, R. W., & Gaut, B. S. (2002). Patterns of positive selection in the complete NBS-LRR gene family of Arabidopsis thaliana. Genome research, 12(9), 1305-1315.

【7】Wicker, T., Yahiaoui, N., & Keller, B. (2007). Illegitimate recombination is a major evolutionary mechanism for initiating size variation in plant resistance genes. The Plant Journal, 51(4), 631-641.

【8】Kroj, T., Chanclud, E., Michel‐Romiti, C., Grand, X., & Morel, J. B. (2016). Integration of decoy domains derived from protein targets of pathogen effectors into plant immune receptors is widespread. New Phytologist, 210(2), 618-626.

【9】Sarris, P. F., Cevik, V., Dagdas, G., Jones, J. D., & Krasileva, K. V. (2016). Comparative analysis of plant immune receptor architectures uncovers host proteins likely targeted by pathogens. BMC biology, 14(1), 8.