Trends Plant Sci | 植物免疫招数多：NLR基因“双打”抗病显奇效

植物在其整个生命周期和演化过程中，面临各种病原体的持续威胁。为了应对这些威胁，植物演化出了多种多样的抗病基因。其中，由核苷酸结合-富含亮氨酸重复受体（NLR）介导的免疫反应是抵御病原菌的关键防线。有的NLR蛋白独自（以singleton模式）就能识别病原并激活抗病，有的NLR蛋白则需要两两组队（以pair模式）“双打”发挥功能其负责识别病原菌效应因子的称为“感应NLR”（Sensor），负责激活免疫反应的称为“辅助NLR”（Helper）。近期在小麦中的几项研究中新发现了多对以“双打”形式发挥功能的NLR pair，与此同时，另一项研究发现NLR pair跨越远缘物种也能够发挥抗病功能。那么，这些新发现的NLR pair与经典的NLR pair有些什么异同呢， NLR pair的不同特征在植物的演化过程中有什么意义呢，对于农业生产又有什么指导价值呢？

近日，南京大学研究团队在Trends in Plant Science上发表了题为The expanding world of plant NLR pairs的评述文章，深入解读了同期3篇发表于Nature Genetics关于新NLR pair的发现以及一篇发表于Cell关于功能“NLR pair”跨物种应用的突破性研究。系统评述了小麦中新发现的NLR pair在结构、功能以及演化上与拟南芥和水稻中经典NLR pair的区别，并从生产实践上对NLR pair跨物种发挥功能的研究进行了展望。该评述文章被收录在Trends in Plant Science 30周年纪念刊的“塑造植物科学未来的重大概念”专辑中。

现有研究表明，NLR pair中的Sensor通常携带一个用于感知效应因子的融合结构域（integrated domain，简称ID），而Helper则发挥下游免疫信号激活作用。在拟南芥RRS1/RPS4和水稻RGA5/RGA4中，Sensor通过ID直接或间接识别效应因子后，会释放对Helper的抑制，从而激活免疫信号。而在水稻Pik-1/Pik-2和拟南芥CHS3/CSA1中，需要Sensor与Helper协同才能实现抗病功能（Figure 1 A），虽然早在20多年前就有关于NLR pair的报道，但至今经过功能验证的案例仍然十分有限。

NLR“双打”新组合：结构域的简化让功能“不死反生”

近期，Klymiuk等人和Hu等人分别独立克隆了野生二粒小麦条锈病抗性基因座Yr84（亦称YrTD121）中的候选基因，发现是一对NLR pair，该NLR pair编码一个结构域完整、没有ID的CNL蛋白（Yr84-CNL/TdNLR1）和一个缺失了氨基端结构域的NL蛋白（Yr84-NL/TdNLR2）（Figure 1 A），其中Yr84-NL被认为发挥Helper的功能，而Yr84-CNL为Sensor。有意思的是，这对pair中的不仅Sensor没有ID，Helper中也缺乏氨基端结构域。NLR蛋白的氨基端结构域（如CC或TIR）对形成抗病小体、发挥抗病能力至关重要，因此缺失氨基端的Yr84-NL如何激活免疫成为一个引人关注的问题：它是否通过演化获得了新的功能机制以弥补缺失氨基端结构域可能导致的抗病激活功能丧失？这一现象表明NLR基因的截短并非演化的“死胡同”，而可能是一种演化的“新生”。

NLR“双打”新范式：“头对头”不必须

早期研究发现的NLR pair中的两个基因，在染色体上都以“头对头”的方式排列。Hu等人发现，尽管Yr84基因座内的NLR基因呈头对头排列，但将Yr84 NLR pair中的两个基因以随机方向插入感病小麦品种后，仍能赋予抗性。这表明“头对头”并非NLR pair发挥功能的必要条件，而是表明这两个基因很有可能是从祖先NLR基因串联复制而来，并且在病原体的选择压力下协同演化。类似现象正在Zhu等人的研究中同样被发现，他们在野生二粒小麦中鉴定出MlIW170/PM26白粉病抗性基因座的两个NLR基因TdCNL1和TdCNL5。它们不仅转录方向相同，中间还隔着另外三个NLR基因，并不是“头对头”排列（Figure 1 A）。Yr84和MLIW170/PM26的研究结果表明小麦中成对的NLR是通过不同的基因复制事件和结构域融合事件独立演化产生，在共同的病原选择压下协同演化，最终趋同于相似的“双打”抗病方式。

NLR“双打”新赛场：突破跨物种应用极限

小麦中的上述NLR Pair即使不在“头对头”的情况下，仍可通过转基因至易感品种以赋予抗性。那么：这些NLR pair模块有没有可能跨远缘物种转移并赋予植物抗病功能呢？近期发表的另一项研究回答了这一问题。Du等人将衍生自一对古老的NLR pair的Sensor和Helper——辣椒中的Bs2基因（Sensor）与烟草中的NRC2/3/4基因（Helpers）共同转入了非茄科的双子叶植物，甚至是单子叶作物水稻中（Figure 1 B）。令人振奋地发现，转基因水稻能够识别Bs2对应的细菌效应因子并触发免疫反应，在大田环境下对水稻细菌性条斑病表现出强抗性，并且不影响产量。这一实验证明了亲缘关系非常远的物种仍可通过功能性“NLR pair”的移植共享抗病能力，这为作物分子育种提供了全新的工具和思路。

综上，这些发现拓展了植物免疫领域中NLR pair的新天地，展现了此类NLR组合在染色体排列、结构域构成和功能机制方面的高度灵活性，也为利用和设计NLR pair来实现作物抗病提供了绝佳范例。与此同时，新的发现也引出了一些新的科学问题。例如：缺失氨基端结构域的Helper NLR如何激活免疫？是否存在其他尚未鉴定的互作因子或全新的信号传导途径来介导这类特殊Helper的功能？再者，跨物种部署功能性“NLR pair”的策略能否推广到更多的NLR pair和更多的植物物种？（Figure 1 C）这些问题的解答将进一步深化我们对植物免疫功能机制和NLR基因演化的理解，并指导未来的作物抗病育种策略。

南京大学生命科学学院邵珠卿教授和陈建群教授为该论文的通讯作者，博士生桑程巍和江苏省中国科学院植物研究所张艳梅副研究员为论文的第一作者，博士生李赛熙参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金项目资助。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1m4ur_UxGnNE5H

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2025.10.023