陕西
作物病害严重制约农业生产力，如何构建广谱、持久的抗病性是现代育种面临的核心挑战。在植物与病原微生物之间不断进化的“军备竞赛”中，植物通过模式识别受体（Pattern recognition receptor, PRRs）识别病原相关分子模式（Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs），从而启动免疫反应。其中，鞭毛蛋白受体FLS2（FLAGELLIN SENSING 2）是一个在高等植物中普遍存在的模式识别受体，能够与共同受体 BAK1共同识别细菌鞭毛蛋白片段 flg22，在抵抗细菌病害中发挥重要作用。然而，许多植物病原细菌通过突变其flg22序列，从而逃逸FLS2的识别。对作物内源FLS2进行改造，使其能够识别逃逸型flg22，有望在不引入外源基因的情况下广谱、持久抗病性，但人们对如何改造FLS2知之甚少。
近日，苏黎世大学Cyril Zipfel团队与合作者在Nature Plants上发表了题为Reverse engineering of the pattern recognition receptor FLS2 reveals key design principles of broader recognition spectra against evading flg22 epitopes的研究论文，揭示了改造FLS2识别两类逃逸型flg22的基本原理。Nature Plants同期还发表了加州大学戴维斯分校Gitta Coaker团队题为Unlocking expanded flagellin perception through rational receptor engineering的研究论文，同样对FLS2进行了改造。Nature Plants刊发了牛津大学Renier A. L. van der Hoorn团队撰写的题为Expanding flg22 recognition in plants的评论文章，强调了两项工作在作物抗病设计中的重要意义。
逃逸型flg22主要可分为两类：第一类不能结合FLS2，以根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）的flg22Atum为代表；第二类可以结合FLS2但不能招募BAK1，以青枯菌（Ralstonia solanacearum）的flg22Rso为代表。为了应对病原菌的逃逸，一些植物也进化出了对逃逸型flg22的识别能力：例如，酿酒葡萄（Vitis vinifera）的VvFLS2不能识别农杆菌flg22Atum，而美洲野生河岸葡萄（Vitis riparia）的VrFLS2XL可以识别农杆菌flg22Atum。大豆（Glycine max）的两个FLS2中的GmFLS2a不能识别青枯菌flg22Rso，而另一个拷贝GmFLS2b可以识别青枯菌flg22Rso。
为了研究如何改造FLS2，Cyril Zipfel团队采用“逆向工程“（reverse engineering）的方式对VrFLS2XL和GmFLS2b进行了研究，分别寻找能使VvFLS2/GmFLS2a识别农杆菌flg22Atum/青枯菌flg22Rso的最小突变集合，从而反推出改造FLS2的基本原理。
利用构建嵌合受体（chimeric receptor）、AlphaFold结构预测、DNA重组（DNA shuffling）等策略，作者发现：十个来自VrFLS2XL的突变（甚至更少）即可使VvFLS2获得与VrFLS2XL相当的识别农杆菌flg22Atum的能力，这些功能获得性突变都位于和农杆菌flg22Atum关键逃逸氨基酸的互作界面上；两个来自GmFLS2b的突变即可使GmFLS2a获得识别青枯菌flg22Rso的能力，这两个突变位于BAK1互作界面，并不与flg22互作。
有趣的是，作者还发现，在互作界面之外存在大量通过未知机制增强识别能力的突变，表明FLS2功能调控的复杂性远超预期。此外，作者还发现了GmFLS2b上对flg22Rso识别起负面影响的突变。通过去除这些负面影响的突变，而仅保留起正向作用的突变，作者构建了“超级GmFLS2”，其对青枯菌flg22Rso的识别能力远超野生型GmFLS2b。
综上所述，该研究提出了改造FLS2识别两类逃逸型flg22的基本原理：针对第一类不结合FLS2的逃逸型flg22，应鉴定出flg22上的关键逃逸突变，然后针对性地改造FLS2上与该突变互作的位点；对于第二类结合FLS2但不招募BAK1的逃逸型flg22，应设法增强FLS2与共受体BAK1的直接相互作用。同时，应积极研究和利用互作界面外的突变来进一步提升对逃逸型flg22的识别能力。
图1. 改造FLS2识别两类逃逸型flg22的基本原理
该研究由苏黎世大学植物与微生物学系Cyril Zipfel教授研究组和生物化学系Amedeo Caflisch教授研究组合作完成。Cyril Zipfel团队在读博士生张嵩元为论文第一作者，硕士生赖虹霏等人参与了研究。Amedeo Caflisch团队博士生刘松源对本研究做出了重要贡献。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-025-02050-5
https://www.nature.com/articles/s41477-025-02049-y
News & Views评论文章：
https://www.nature.com/articles/s41477-025-02032-7
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