植物抗病小体八聚体漏斗结构研究获重大突破

植物的免疫系统有多厉害？一个关键“哨兵”的变身，或许能带来抗病育种的全新思路。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所从主粮作物小麦中发现了一种全新的、更庞大的八聚体NLR抗病小体结构，为我们理解植物免疫的多样性打开了新视角。

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意外获得“自身免疫”小麦

植物拥有复杂的免疫系统。核苷酸结合富亮氨酸重复序列（NLR）的抗病蛋白，就是植物免疫系统的关键“哨兵”之一。当病菌入侵时，NLR能迅速发现并识别病原菌释放的信号分子，组装成大型蛋白质复合物形式的“作战小组”，被称为“抗病小体”。

此前，科学家已发现植物NLR抗病蛋白能组装成四聚体、五聚体或六聚体的抗病小体。

研究人员在田间筛选到小麦品系“中科331”的突变体M3405。它表现出一个奇特的现象：在没有病菌侵染的情况下，植物的免疫反应始终在激活状态。

通常情况下，NLR蛋白的“变身启动”需要一个精巧的“开关”，平时处于关闭状态，只有在感知到病原菌侵染信号后才会开启。

研究人员发现，M3405自发免疫表型的关键基因WAI3，发生了单氨基酸突变（WAI3GOF）。该突变相当于免疫反应开关一直卡在了“开启”位置，让该基因能够编码合成CCG10-NLR类型抗病蛋白。

M3405突变体持续产生免疫反应

02

八聚体“漏斗”

全新的抗病小体队形

为探究WAI3的激活机制，研究人员解析了激活后WAI3寡聚复合物的高分辨率三维结构。

结果显示，激活态WAI3组装为八聚体抗病小体，整体呈环状“漏斗”结构，直径约200 Å、高约135 Å。

该研究在解析小麦WAI3抗病小体结构的基础上，也对拟南芥中的同源蛋白RPS2抗病小体结构进行了解析，证明激活后的RPS2同样形成类似的八聚体抗病小体，表明CCG10-NLR类型抗病蛋白的作用机制在单子叶和双子叶植物中高度保守，小麦WAI3抗病小体结构成为研究拟南芥RPS2蛋白作用机制的重要参考。

CCG10-NLR类型免疫受体WAI3和RPS2均形成八聚体抗病小体

钙离子内流

免疫信号的“主开关”

这个奇特的八聚体结构究竟如何传递免疫信号？

研究人员将WAI3GOF与NRC4DV六聚体抗病小体相比，发现WAI3GOF诱导的胞质钙离子内流呈现更强且持续时间更长的多相动态变化。这可能与八聚体抗病小体所形成的离子通道孔径更大、结构更稳定、免疫能力更强有关。

由于钙离子是细胞中一种极其重要的“第二信使”，其浓度剧烈波动，会像多米诺骨牌一样，触发下游一系列防御基因的表达。这说明WAI3GOF形成钙离子（Ca2+）通道引发胞质钙离子内流，从而激活免疫反应。

WAI3激活后引发钙离子内流

研究发现了CCG10-NLR抗病小体形成八聚体结构，并作为钙离子通道发挥作用，为确立Ca2+信号作为多种NLR介导免疫过程中关键第二信使、成为NLR激活的共同汇聚点提供了重要新证据，拓宽了人们对植物免疫“武器库”的认知。

具有自发免疫特性的NLR抗病蛋白WAI3的发现，为未来的人工智能辅助设计、定向改造或从头设计具有广谱、持久抗病能力的新型“免疫蛋白”，提供了关键的结构蓝图与理论依据。