专家点评Cell | 打破物种壁垒！中国农大郭海龙团队与合作者通过共转移免疫受体实现跨物种抗病

6月17日，中国农业大学植物保护学院郭海龙教授团队在Cell在线发表题为Interfamily co-transfer of sensor and helper NLRs extends immune receptor functionality between angiosperms的研究 论文，首次系统证明通过共转移感受型与辅助型NLR免疫受体，可打破NLR免疫受体的“受限的分类学功能”（Restricted Taxonomic Functionality, RTF）瓶颈，在分类学跨度较大的植物间重建免疫信号通路。这一突破性发现不仅为作物病害的绿色防控提供了可行的新策略，也为未来多物种间的分子设计育种提供了重要理论依据和实践示范。

植物胞内核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体蛋白 (Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs) 通过直接或者间接的方式识别病原微生物分泌的效应蛋白激活效应子引发的免疫 (Effector-Triggered Immunity, ETI) ，引发细胞坏死进而抵御病原菌的侵染。目前克隆的抗病基因大都编码这类免疫受体蛋白，因此 NLRs 是 抗病育种的重要靶蛋白。 NLRs 作为在植物体内快速进化的一类蛋白，表现出一定的植物种属（科属）特异性；而一些效应蛋白广泛分布于同属（种）病原菌乃至不同病原菌中，因此在物种间转移 NLR 免疫受体是构建作物抗病性的一种潜在策略，如科学家们早期将来源于烟草的 N 基因转移至 番茄， 赋予了对烟草花叶病毒（ Tobacco mosaic virus, TMV ）的抗性。将来源于拟南芥的抗白锈病免疫受体 WRR4 引入至芥菜（ Brassica juncea ）和欧洲油菜（ Brassica napus ）赋予了对白锈病菌 （ Albugo candida ）的抗性。将小麦 Sr22 和 Sr33等 秆锈病抗病基因 转入大麦 可赋予对大麦抗秆锈病的能力。纵观目前 NLRs 的跨界转移赋予抗病性的例子大都发生在彼此亲缘关系较近的科内（ intrafamily ）物种间，而 很多 NLRs 跨科（ interfamily ）转入远缘物种后常出现抗 病功能丧失，造成跨物种转移应用中受限的分类 学 功能（ Restricted Taxonomic Functionality, RTF ），例如由野油菜黄单胞菌辣椒斑点病致病变种（ X. campestris pv . vesicatoria , Xcv ）引起的辣椒和番茄细菌性疮痂病是普遍发生在茄科植物上的一种细菌性病害，将源于辣椒的抗 Xcv 的 NLR 基因 Bs2 转移至番茄中，转基因番茄 表现出对 Xcv 良好的抗性，这种基因对基因抗性依赖于效应蛋白 AvrBs2 。但将 Bs2 转移至亲缘关系较远的拟南芥和木薯中，转基因拟南芥和木薯并未表现出对野油菜黄单胞菌野油菜致病变种 ( X. campestris pv . campestris , Xcc ）和地毯草黄单胞菌木薯萎蔫致病变种 ( X. axonopodis pv . manihotis ) 的抗性，尽管效应蛋白 AvrBs2 的在 Xcc 和 Xam 中也高度保守。这与细胞质膜上的模式识别受体 (Pattern Recognition Receptors, PRRs) 的跨界转移不同，比如拟南芥模式识别受体 EFR 虽然只分布在十字花科植物中，但在 番茄 、水稻、小麦乃至柑橘、香蕉等果树中表达 EFR 也能赋予这些植物识别细菌延伸因子 EF-Tu 的能力并增强它们的细菌抗病性，这与 PRRs 下游信号通路在不同物种中相对保守有关。 因此 RTF 很大程度上限制了 NLR s 在远缘作物中开展抗病种质创制的应用。

水稻细菌性条斑病是由稻 生 黄单胞菌条斑 致 病 变种 ( X. oryzae pv . oryzicola , Xoc ) 通过伤口或气孔侵入导致，是我国重要的水稻病害之一，每年造成巨大的水稻产量损失。 ‌ 但在水稻种质资源中至今尚未鉴定到编码 NLR 受体的主效抗病基因，严重制约了对这类病害的防控效果。研究团队基于 AvrBs2 在黄单胞菌属中高度保守这一现象，发现在烟草中瞬时表达 Bs2 和 Xoc 的 AvrBs2 能诱发细胞坏死，表明 Bs2 能识别直系同源效应蛋白 AvrBs2 Xoc ，这为在远缘物种水稻中利用辣椒的 Bs2 防治细菌性条斑病提供了基础，但 Bs2 转基因水稻并没有赋予对 Xoc 的抗病性，这与前期发现的 Bs2 在木薯和拟南芥中呈现出 RTF 的现象是一致的。近年来研究发现在激活细胞死亡和抗病反应过程中，一类称为辅助型 NLRs （ Helper NLRs ）位于识别病原菌无毒蛋白的感受型 NLRs （ Sensor NLRs ）下游，辅助型 NLRs 对于感受型 NLRs 激活后的抗病信号的传递起到关键作用，如拟南芥 ADR 和 NRG1 家族以及茄科特有的 NRC 家族。鉴于前期研究表明Bs2的功能需要依赖这类辅助型NRCs，推测NRCs类辅助型NLRs在其它远缘作物中的缺失是Bs2应用存在RTF的关键原因。鉴于水稻与辣椒分化于大约2亿年前，仅共转移Bs2和NRCs是否就足以在水稻中重构ETI信号通路还是需要额外的茄科特异的蛋白还不清楚。

研究团队将辣椒 Bs2 及烟草 NRC2/NRC3/NRC4 辅助型免疫受体共同转移至水稻中，接种 Xoc 而非 ΔAvrBs2 突变菌株能诱导 NRC2 和 NRC4 在转基因水稻里寡聚化，表明在水稻里重构 AvrBs2 Xoc 激活 Bs2 的 ETI 信号通路，暗示仅转移茄科植物的感受型和辅助型 NLR 受体就足以在水稻中重构 ETI 信号通路 （图 1 ） 。接种 Xoc 后发现转基因水稻表现出对水稻细菌性条斑病菌的 ETI 抗病性 （图 2 ） ，而共 表达感受型和辅助型 NLR 免疫受体的转基因水稻重要农艺性状如株高、有效分蘖数、每穗粒数、千粒重无明显差异；转基因水稻的基础抗性也不受影响。此外，英国赛恩斯伯里实验室 (The Sainsbury Laboratory) 的 Jonathan Jones 研究团队也发现转基因拟南芥共表达源于光果龙葵 ( Solanum americanum ) 晚疫病抗病基因 Rpi-amr3 和光果龙葵或烟草的 NRC2 在用细菌投递致病疫霉 ( Phytophthora infestans ) 效应蛋白 AvrAmr3 后能诱发细胞坏死，共表达 Bs2 及 Rpi-amr1 和光果龙葵的 NRC2/NRC3/NRC4 在大豆中可以引起 AvrBs2 及 A vrAmr1诱发的细胞坏死，表明通过共转移辅助型NLR可将感受型NLR受体的功能拓展到其它多个植物中。

图1 共导入感受型和辅助型NLR的转基因水稻在接种Xoc后可诱导辅助型NLR在体内寡聚化，并诱导防御相关基因表达，表明二者在水稻中的协同表达成功重构了ETI信号通路。

图2 与对照相比，转基因水稻在室内和大田人工接种Xoc后表现出ETI抗性

该成果克服了Bs2这类免疫受体跨远缘物种利用障碍这长期悬而未决的难题，在国际上首次阐明共转移感受型和辅助型NLR受体可以打破NLR的RTF，实现NLR受体在不同作物中抗病育种的广泛应用。基于此策略，在水稻里重建针对细菌性条斑病菌的免疫通路创制了对细菌性条斑病菌抗病性的水稻新种质资源。这为在种质资源中缺乏内源抗病基因，利用其它物种NLRs的生物育种应用提供了很好的范例。例如一些致病疫霉的效应蛋白在其它疫霉菌种中是保守的，一些早期克隆的能识别致病疫霉效应蛋白的茄属NLRs也能够识别其它疫霉菌中的直系同源效应蛋白。如果将这些茄属NLRs与NRCs共同转移至大豆、可可和草莓等作物也能提供对侵染这些作物疫霉菌的抗性。因此该研究为病害绿色防控和 生物育种提供了重要理论基础和育种策略 （图 3 ） 。

图3 跨科共转移感受型与辅助型NLRs拓展了茄科胞内免疫受体在水稻、拟南芥和大豆中的功能

中国农业大学植物保护学院博士研究生杜晓斐和英国赛恩斯伯里实验室博士后Maheen Alam为该论文共同第一作者；郭海龙教授、英国赛恩斯伯里实验室Jonathan Jones教授及 吉林农业大学孙文献教授为共同通讯作者；博士研究生张宇和崔福浩副教授为本研究做出了重要贡献。本研究得到国家重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目、拼多多-中国农业大学研究基金资助。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00578-1

专家点评

何祖华（中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员）

利用抗病基因培育抗病品种是防控作物病害 最 经济有效的手段，其中育种应用最广的一类是编码NLR免疫受体的抗病基因，该类受体识别病原菌的效应子激发 小种专化性 抗病性，遵循Harold Flor提出的“基因对基因”抗病理论。这一类抗病基因存在物种-病原菌体系的特异性，在跨物种转移时不易获得抗性。因此，解析这一类基因的激活机制并实现跨物种转移是当前分子育种上的一个难题。目前NLR研究领域关键的科学问题是NLR受体在识别病原菌分泌的效应蛋白激发的ETI免疫反应（effector-triggered immunity）。近年来研究发现，植物中有一类称为辅助型NLRs (helper NLRs) 位于不同感受型NLR（sensor NLRs）的下游，并在免疫激活后形成非选择性的阳离子通道 介 导Ca 2+ 内流进而诱发细胞死亡。目前已鉴定的辅助型NLRs可以分为三类：拟南 芥 的ADR1家族、NRG1家族和茄科特异的NRC家族。

最近中国农业大学 郭 海龙及其合作者研究团队在感受型和辅助型NLRs的研究领域取得重大进展。研究团队采用聚合源于辣椒/光果龙葵的感受型NLRs和烟草/光果龙葵的辅助型NLRs分别在水稻、拟南 芥 和大豆里重建了ETI信号通路，表明茄科的NLRs功能可以 拓展到跨物种中。基于此发现，研究团队针对水稻种质资源中缺乏细菌性条斑病 Xoc （ Xanthomonas oryzae pv . oryzicola ）的抗病基因这一难题，将源于辣椒的能识别 Xcv ( Xanthomonas campestris pv . vesicatoria )中AvrBs2的感受型NLR Bs2和辅助型NLRs NRC家族成员集成引入水稻中，转基因水稻表现出对 Xoc 中AvrBs2的识别，实现了“基因对基因”的抗性。更重要的是，感受型NLR和辅助型NLR叠加（NLR stacking）的转基因水稻农艺性状没有受到影响，这与常见的多个感受型NLR叠加时常引起植物免疫自激活进而影响生长和产量不同，具有重要的应用前景。该研究不仅对深入理解植物免疫系统提供了新的理论基础，而且对作物抗病分子设计育种提供了新的思路和手段。

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周俭民（崖州湾国家实验室 研究员）

人类在植物抗病基因的分离鉴定和机制研究中取得了长足进步，但抗病育种依然面临挑战，许多重要病害依然没有可用的抗性基因。虽然远缘物种中蕴藏着丰富抗病基因资源，但因物种间的障碍，其中许多基因无法在目标物种中加以利用，大大限制了抗病育种。 郭 海龙和琼斯联合团队的这项工作，创造性的突破了这一障碍。他们将抗性基因和与之匹配的辅助基因同时导入目标作物水稻，在获得全新抗病性的同时，保持了其它农艺性状。他们的成功，为更好的利用远缘物种中抗病基因资源，铺平了道路。

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李毅（福建农林大学 教授）

植物免疫系统是由位于细胞质膜上的模式识别受体(Pattern Recognition Receptors, PRRs) 对保守的病原相关分子模式(Pathogen-Associated Molecular Pattern，PAMP)的识别和 胞内 核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体蛋白(Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs)对病菌分泌的效应蛋白的识别来感知病原菌的入侵，进而激活植物的免疫反应，因此编码这两类免疫受体的基因是作物抗病育种的重要基因资源。然而，不同植物其种间的PRRs和NLRs存在显著差异，或编码这些受体的基因只存在于部分物种中。比如某些科内的植物能够识别特定的PAMPs，而科外的植物因缺乏对应的PRR受体则不能识别。因此基于免疫受体的跨 科转移 (interfamily transfer)是近年来植物抗病分子设计育种的一个新的发展方向。如模式识别受体EFR可识别细菌的延伸因子EF-Tu，但是编码该受体的基因仅存在拟南 芥 等十字花科植物中，在 番茄 和本生烟草中引入编码EFR的基因显著增加了转基因植物对多种细菌的抗病性。但与PRRs相比，目前一些NLRs的 转移仅 发生在亲缘关系较近的物种中，这现象称为受限的分类学功能（Restricted Taxonomic Functionality, RTF）。

最近，中国农业大学 郭 海龙及其合作者研究团队在NLRs的跨 科转移 领域做出了突破性的进展，在国际上首次发现共转移感受型和辅助型NLR受体可以克服NLR的RTF这一难题，实现NLR受体在不同作物中发挥功能，具有广阔的育种前景。基于该理论，研究团队针对水稻细菌性条斑病抗病种质基因资源匮乏这一难题，采用将辣椒中 识别黄单胞 菌 Xcv ( Xanthomonas campestris pv . vesicatoria ) 效应蛋白AvrBs2的NLR免疫受体Bs2编码基因，及其下游编码NRCs基因聚合并进行跨 科转移 的策略，获得了抗细菌性条斑病 的新型水稻抗病种质。这是一种全新的病害防控策略，表明能识别病原菌保守效应蛋白，但源自远缘物种的NLRs可以作为尚未开发的遗传资源，扩大现有作物的抗病基因库，为作物抗病育种服务。

郭海龙课题组简介

郭 海龙博士于2021年加入中国农业大学植物保护学院，任教授、博士生导师，组建植物分子免疫学实验室。一直以来致力于植物胞内NLR免疫受体的工作机理、调控机制和下游信号通路展开研究，并利用NLR免疫受体开发病害绿色防控技术。相关成果以第一或通讯作者（含共同）发表在Cell、Cell Host & Microbe、Nature Communications、PNAS、Plant Physiology等学术期刊上。课题组长期欢迎理想远大，勤奋坚韧、能自我管理的本科生、研究生、博士后等热爱科研的青年学者加入。