Plant Cell | 高度变化的NLR免疫受体，及其与效应子结合位点的预测

撰文 | Jenny

责编 | 王一

在植物的免疫系统中，Nucleotide-Binding Leucine Rich Repeat (NLR) 是一类重要的免疫识别受体，它能在胞内识别病原体效应子，引起植物的超敏反应 （hypersensitive response, HR） ， 抵御病原菌的侵染。免疫识别系统特异性的演化依赖于受体多样性的产生，新抗原结合能力的获得及下游信号的启动。但是，这种多样性可能会导致在杂交过程中， NLR和植物自身配体的错配并启动免疫反应，从而引起植物杂交坏死 （hybrid neucrosis） 【1】 。一部分NLR可以直接与效应子结合，而另一部分则是通过间接识别效应子对植物体内蛋白的修饰来激活免疫反应。然而，如何根据序列确定直接或间接结合效应子的NLR，NLR在同一物种内多样性产生和演化关系并不清楚 【2】 。早在1998年，Michelmore 和Meyers就提出了在所有NLR中，高度可变的氨基酸位点应该对应其与配体结合的位点的理论 【3】 。但是随着更多高度保守的，非直接结合效应子的NLR被发现，这一理论受到了挑战。所以，为了弄清NLR高度可变的氨基酸位点与配体结合的位点的对应关系，开发新的方法来研究NLR的演化，并预测与效应因子的结合位点变得尤为重要。

近日，美国伯克利国家实验室Daniil M. Prigozhin和加州大学伯克利分校Ksenia V Krasileva合作在The Plant Cell在线发表了题为Analysis of intraspecies diversity reveals a subset of highly variable plant immune receptors and predicts their binding sites的研究论文。该研究通过分析拟南芥和二穗短柄草种内NLR蛋白序列，发现了高度变化的NLR，并预测了这些NLR与效应子的结合位点。

在该研究中，为了获得NLR的近等位基因系列 （near allelic series） ，即单拷贝的直系同源基因组 （single copy orthogroups） ，作者首先对62种不同拟南芥生态型的NLR基因构建了系统进化树，然后根据进化树分支的clade size和bootstrap support将其分为65个分支。作者使用Shannon entropy 方法对每一组NLRs基因的序列变异度进行了分析，发现所有已知的直接结合效应子的NLRs都是高度变化的，而所有已知的间接结合效应子的NLR都是高度保守的。进一步对这些高度变化的NLR进行分析，其多变氨基酸残基主要分布在起抗原识别作用的LRR结构域。通过对已知的RPP1结构分析发现，其效应子结合序列表现出了多样性。这些证据表明，可以根据上述方法来确定某种NLR是否可以直接结合效应子，并预测其结合位点。结合高度变化的和保守的NLR在系统进化树中的位置，作者提出：直接和非直接结合效应子的NLR起源于同一祖先，直接结合效应子的NLR经过了多样性选择 （diversifying selection） ，而非直接结合效应子的NLR经过了纯化或平衡选择 （purifying or balancing selection） 的进化进程。

图：RPP1与效应子结合位点呈现高序列多样性。

为了验证使用进化树的方法进行不同类别NLR的溯源分析得到的结论是否在其他物种中具有普适性，作者又对54种不同生态型的二穗短柄草的NLR进行了分析，发现其进化树呈相似的分布，并得到了40个高度变化的NLR基因。作者又将拟南芥Col-0和二穗短柄草Bd-21参考基因组联合建树发现，只有少量来自不同基因组的基因距离较近，说明物种之间的NLR演化关系较远。

总之，本文发现，使用进化树和Shannon entropy的方法可以用来分析种内NLR的演化关系，预测NLR是否可以直接结合效应子，以及与效应子结合的位点。同时，这些高度变化的基因很有可能是导致杂交不亲和的基因位点，通过预测这些基因位点可以为未来农业育种提供指导。然而本文提出的基于系统进化树的寻找近等位基因系列 （near allelic series） 的方法需要大量的手动计算，该问题需要通过改进进化树分析的算法来解决。

参考文献

1. Bomblies, K. (2009). Too much of a good thing? Hybrid necrosis as a by-product of plant

immune system diversification. Botany 87: 1013–1022.

2. Cesari, S. (2018). Multiple strategies for pathogen perception by plant immune receptors. New

Phytol. 219: 17–24.

3. Michelmore, R.W. and Meyers, B.C. (1998). Clusters of resistance genes in plants evolve by

divergent selection and a birth-and-death process. Genome Res. 8: 1113–1130.

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab013/6119334