Nature | 柴继杰、陈宇航等合作揭示小麦CNL类抗病蛋白的共性作用机制

责编 | 王一

民以食为天，农作物的健康生长与人们生活息息相关，对作物的抗病研究一直都是植物病理学家尤其是植物育种学家们所致力的研究方向。利用胞内受体抗病蛋白 (Nucleotide-binding Leucine-rich repeat Receptor，NLR) 识别病原菌分泌的效应因子诱发局部细胞死亡，是植物抵抗病菌感染的重要手段。NLR基因的引入是作物抗病育种的一种重要策略，对其作用机制的深入研究及理性改造可以为培育新的抗病品种提供基础及原料。根据N端效应结构域的不同，NLR大致分为CNL (CC-NB-LRR) 抗病蛋白和TNL (TIR-NB-LRR) 抗病蛋白。然而目前我们对CNL抗病蛋白的配体识别、激活的分子机制认识还仅限于双子叶模式植物拟南芥的ZAR1抗病蛋白，对CNL抗病蛋白的其他配体识别模式及作用机制的认识相对匮乏，缺乏强有力的直接证据，这也限制了对这些抗病蛋白的深入利用。

先前的研究表明，小麦的Sr35是CNL类抗病蛋白直接识别模式的典型代表，不同于拟南芥中的ZAR1的间接识别，Sr35可以直接识别杆锈病原菌Puccinia graminis f. sp. tritici在侵染小麦的过程中所分泌效应因子AvrSr35，继而引起小麦的免疫反应。

2022年9月26日，清华大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、德国科隆大学和马克普朗克植物育种研究所的柴继杰教授团队、陈宇航研究员团队和Paul Schulze-Lefert教授团队合作在国际权威学术期刊Nature杂志上题为A wheat resistosome defines common principles of immune receptor channels的研究论文，该研究通过昆虫细胞重组共表达小麦抗病受体Sr35与效应因子AvrSr35，利用冷冻电镜技术首次解析了作物CNL类抗病蛋白识别效应蛋白AvrSr35的五聚化抗病小体结构，结合细胞生物学和生物化学实验进一步揭示了其配体识别及活化的分子机制，阐明了该类抗病小体的结构和离子通道活性在进化中具有保守性。值得一提的是，这也是首次揭示CNL类抗病蛋白对效应因子的直接作用识别模式。同时我们利用结构信息指导对非功能抗病蛋白进行改造，使之特异性识别AvrSr35并引起植物典型的抗病反应，这为未来合理利用NLR结构信息指导作物抗病改良育种提供了典范。

图1 Sr35抗病蛋白直接识别效应蛋白AvrSr35，变构激活机制示意图

研究发现Sr35主要通过C末端LRR结构域直接识别AvrSr35效应蛋白，变构激活后的五个Sr35抗病蛋白通过N端CC结构域和中间的NOD (Nucleotide binding oligomerization domain) 结构域之间的相互作用形成五聚体的抗病小体结构。该抗病小体在细胞质膜上形成离子通道引起钙离子的内流进而起始下游免疫反应，最终造成感染部位的细胞发生超敏性死亡。有意思的是，这与柴继杰组及合作者于2019年报导的拟南芥ZAR1抗病小体属于同一类NLR，虽然在物种亲缘关系上差的较远 (拟南芥为双子叶植物，小麦为单子叶植物) ，但在结构和钙离子通道活性方面都具有很高的相似性。表明植物该类NLR抗病小体的结构和功能在进化上是保守的，为CNL类抗病蛋白的跨物种改造及利用奠定了理论基础。

图2 Sr35 和Zar1抗病小体结构对比

重要的是，研究人员还探索了对直接识别这一结构信息的应用，他们以易感锈病的优良品种的大麦和小麦的非功能受体为研究对象，发现了两种Sr35 类似蛋白，虽然序列上高度相似，但不识别 AvrSr35。通过交换参与互作的C末端结构域或在C末端互作界面上进行氨基酸等位替换，可以有效地将这些蛋白质转化为特异性识别 AvrSr35的受体。

柴继杰课题组一直致力于NLR家族受体的作用机制的研究。继此前揭示了单子叶植物拟南芥中CNL类受体ZAR1的间接识别模式和TNL类受体RPP1的直接识别模式后，再度首次报道了作物中CNL类受体Sr35的直接识别配体的模式和活化的分子机制。揭示了植物中该类抗病受体的结构和功能在进化中的保守性，并拓展了对结构信息的应用，对精准改造作物抗病受体具有指导意义。

柴继杰教授、陈宇航研究员和Paul Schulze-Lefert教授为本研究的共同通讯作者。德国科隆大学和马克普朗克植物育种研究所博士后Alexander Förderer、李二通，马克普朗克植物育种研究所博士Aaron W. Lawson和中国科学院遗传与发育生物学研究所邓亚楠博士为该论文共同第一作者，清华大学生命科学学院的博士生孙玥和温杰、副研究员韩志富，马克普朗克植物育种研究所技术员Elke Logemann也参与了此项研究。郑州大学常俊标教授、谢正坤研究员在冷冻电镜数据收集给予了帮助。郑州大学电镜平台为本研究提供了设备和技术支持。该研究项目获得国家重点研发计划项目、中科院战略先导研究计划、德国洪堡教席-国际研究奖等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05231-w