Current Biology | 西北农林科技大学康振生/张新梅课题组揭示条锈菌抑制寄主细胞坏死新机制

植物与病原菌长期协同进化博弈中，内质网应激（ER stress）与超敏反应（hypersensitive response, HR）是构成植物先天免疫体系的核心组分。当植物遭受病原菌侵染时，ER stress与HR形成的防御协同体系会被快速激活，通过诱导侵染点周围细胞死亡，遏制病原菌的进一步扩散，从而实现对病原菌的抗性。然而，ER stress与HR协同调控植物免疫的分子机制，以及病原菌如何演化出针对性瓦解这一防御同盟的策略，目前仍有待阐明，这也在一定程度上限制了高效靶向抗病技术的开发与应用。

近日，西北农林科技大学康振生院士/张新梅副教授课题组在Cell旗下著名学术期刊Current Biology发表了题为Durable rust resistance in wheat conferred by engineering host protein TaHRLI to evade recognition by the virulence effector PstCRT的研究论文，揭示了条锈菌破坏小麦ER stress-HR防御同盟的分子机制，并基于上述机制为培育广谱抗病作物提供了全新靶点和创新技术策略。

研究首次发现钙网蛋白（calreticulin, CRT）不仅作为寄生虫（如线虫）效应蛋白发挥致病功能，在条锈菌（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）等病原真菌中，CRT同样可作为核心毒力效应蛋白（PstCRT）被主动分泌至小麦细胞，成为攻破小麦免疫的“关键武器”。该研究利用HIGS技术沉默PstCRT发现条锈菌致病力显著减弱，小麦叶片出现明显的过敏性细胞坏死，抗性显著增强；反之，在小麦中过表达PstCRT，则会显著抑制过敏性细胞坏死的发生，为条锈菌的生长发育“扫清障碍”，导致小麦抗性明显减弱。转录组分析表明，过表达 PstCRT导致下调差异表达基因被显著富集于“植物型过敏反应”及“细胞坏死” 核心通路，表明PstCRT 可能通过影响HR/细胞坏死抑制小麦免疫反应。

为阐明 PstCRT 功能的潜在机制，酵母文库筛选发现PstCRT 能够靶向小麦HR诱导蛋白TaHRLI（HR-like lesion inducing protein），并与其在细胞膜上发生相互作用。RNAi干扰及过表达转基因功能分析表明TaHRLI在小麦与条锈菌的互作过程中扮演“免疫激活者”的正调控角色，且其抗病功能的发挥与HR及未折叠蛋白反应（UPR）密切关联。深入的机制解析进一步还原了这场“攻防博弈”的完整过程：TaHRLI在正常情况下定位于内质网，而启动防御时，高表达的TaHRLI会进入内质网腔（核周内质网）与小麦自身的钙网蛋白TaCRT结合。这一结合会抑制TaCRT与钙离子的结合能力，进而触发内质网腔钙离子外流，并激活强烈的UPR反应，最终启动细胞坏死程序形成对条锈菌的有效防御。而长期的协同进化压力，驱动条锈菌进化出极具针对性的“伪装反击策略”，其分泌的PstCRT在蛋白结构上与小麦自身的TaCRT高度相似，且对TaHRLI具有更强的结合亲和力（图1）。凭借这一结构优势，PstCRT能够“鸠占鹊巢”，通过竞争性结合将TaHRLI截留于细胞膜上，使其无法进入核周内质网启动防御信号通路，从而彻底瓦解内质网应激介导的HR防御反应，实现成功侵染。

图1. 条锈菌PstCRT与小麦TaCRT的蛋白结构

更关键的是，该研究发现“分泌CRT蛋白”并非条锈菌独有，而是不同锈菌属病原菌共有的保守毒力策略，这意味着该机制的破解，可能为防控多种锈病提供通用思路。基于对上述致病机制的理解，研究团队迅速推进“从理论到应用”的转化。借助AlphaFold蛋白结构预测工具，对小麦TaHRLI蛋白进行了精准改造，并获得了突变体TaHRLIMut。TaHRLIMut可成功逃逸PstCRT的识别与结合，同时保留了原本与小麦自身TaCRT结合的能力，意味着它能正常启动ER应激介导的HR防御，却不会被病原菌的“伪装术”干扰（图2）。后续的广谱抗病性鉴定证实，TaHRLIMut可显著增强小麦对条锈菌、叶锈菌及秆锈菌的抗性；更关键的是，两年的田间试验数据显示，过表达TaHRLIMut的小麦不仅对多种条锈菌流行小种表现出稳定的广谱抗性，有效降低病害导致的产量损失，同时还保留了多个关键农艺性状，为抗病育种的实际应用奠定了坚实基础。

综上，该研究首次揭示了CRT分泌作为锈菌致病的保守策略，并通过“结构模拟-竞争性结合”方式破坏植物ER stress-HR防御同盟的分子机制，并在应用上为广谱抗锈病技术开发提供了全新靶点；同时基于人工智能蛋白结构设计的TaHRLIMut为作物抗病分子育种提供了“精准改造”方案，为保障粮食安全提供了理论与技术支撑。

图2. PstCRT破坏ER stress-HR分子机制及创制广谱抗病小麦的工作模型

西北农林科技大学植物免疫团队博士后郭双元与博士生张艳琴为论文共同第一作者，康振生院士、王晓杰教授及张新梅副教授为论文共同通讯作者。在读研究生张新梅、杜晓雅、章锋和李焕坤参与了该研究工作。特别感谢西北农林科技大学詹刚明教授、吴建辉副教授、刘胜杰副教授、严浩浩博士及青年教授琚传凤提供的帮助；感谢国重室黄雪玲、赵华、袁凤平、张琼及周晓娜几位老师的技术支持。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1mYLa3QW8SDrYB