清華新聞網(wǎng)7月18日電 植物病原對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量造成毀滅性影響，培育抗病作物是保障全球糧食安全與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。近年來(lái)，重塑植物免疫受體以獲得新型抗病基因已成為應(yīng)對(duì)植物病害嚴(yán)重威脅的重要策略。然而，現(xiàn)有的方法受限于植物病蟲(chóng)的快速進(jìn)化，往往難以實(shí)現(xiàn)廣譜持久的抗病。
7月16日，清華大學(xué)生命學(xué)院劉玉樂(lè)實(shí)驗(yàn)室在《自然》（Nature）雜志在線(xiàn)發(fā)表題為“重塑自激活NLR賦予植物廣譜抗病”（Remodelling autoactive NLRs for broad-spectrum immunity in plants）的研究論文，開(kāi)創(chuàng)性地建立了一種簡(jiǎn)單高效的人工設(shè)計(jì)植物抗病基因的全新策略，可使植物獲得廣譜、持久且完全的抗病。
植物NLR免疫受體主要包括三類(lèi)：TNL（TIR-NLR）、CNL（CC-NLR）和RNL（CCR-NLR）。TNL和CNL負(fù)責(zé)識(shí)別病原效應(yīng)子，RNL在免疫信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。近年來(lái)的研究表明，CNL和RNL在識(shí)別病原入侵后可組裝形成抗病小體，在膜上形成鈣離子通道，激活免疫反應(yīng)，這一過(guò)程依賴(lài)其CC或CCR結(jié)構(gòu)域的氨基（N）端序列。因此，一個(gè)完整且游離的N端對(duì)其功能至關(guān)重要，與此一致的是，劉玉樂(lè)團(tuán)隊(duì)早在十年前就發(fā)現(xiàn)：在CNL的N端融合額外多肽會(huì)抑制其功能。另一方面，在NLR的MHD基序或其他關(guān)鍵區(qū)域引入特定突變，可產(chǎn)生自激活型植物NLR免疫受體（autoactive NLR, aNLR）。此外，全世界約45%的植物病毒編碼其侵染所必需的蛋白酶——大量細(xì)菌、真菌、卵菌、線(xiàn)蟲(chóng)和刺吸式昆蟲(chóng)也依賴(lài)向植物細(xì)胞分泌蛋白酶致病。
基于上述知識(shí)，劉玉樂(lè)實(shí)驗(yàn)室提出并建立了一種人工設(shè)計(jì)植物抗病基因的全新策略（圖1）：在植物中表達(dá)一種羧基（C）端攜帶病原蛋白酶識(shí)別切割位點(diǎn)（protease cleavage site, PCS）的多肽與aNLR的N端融合形成的蛋白，可使植物抗病。無(wú)病原存在時(shí)，aNLR被融合多肽抑制，保持失活狀態(tài)；病原入侵時(shí)，其編碼或分泌的蛋白酶特異切割融合蛋白，釋放aNLR，從而激活強(qiáng)烈免疫反應(yīng)，誘發(fā)植物對(duì)病原的抗性。若選用保守性高的蛋白酶識(shí)別切割位點(diǎn)，該策略可使植物廣譜持久抗病。該策略已在模式植物和重要經(jīng)濟(jì)作物大豆中成功驗(yàn)證，可使植物對(duì)多種病毒完全免疫，有望成為植物抗病毒、細(xì)菌、真菌、卵菌、線(xiàn)蟲(chóng)和刺吸式昆蟲(chóng)等多種病蟲(chóng)害的通用策略。
圖1.人工設(shè)計(jì)抗病基因示意圖
具體而言，研究團(tuán)隊(duì)將帶有馬鈴薯Y病毒（PVY）蛋白酶識(shí)別切割位點(diǎn)YEVHHQ↓A的HA標(biāo)簽多肽分別融合至CNL（Tm-22）和RNL（AtNRG1.1）自激活突變體的N端，構(gòu)建了2種人工抗病基因。轉(zhuǎn)這2種基因的本生煙草表現(xiàn)出對(duì)PVY、蕪菁花葉病毒（TuMV）、辣椒斑駁病毒（PepMoV）、辣椒脈斑駁病毒（ChiVMV）和李痘病毒（PPV）等多種病毒的廣譜抗性，并且抗性很強(qiáng)，甚至表現(xiàn)為極端抗性，病毒不能建立侵染。由于選用的病毒蛋白酶識(shí)別切割位點(diǎn)高度保守，預(yù)計(jì)構(gòu)建的抗病基因可賦予植物“超級(jí)廣譜”抗病性，抗超過(guò)100多種植物病毒。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了針對(duì)大豆花葉病毒（SMV）的定制抗病基因，轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)SMV完全免疫（圖2）。
圖2.轉(zhuǎn)定制抗病基因的大豆抗大豆花葉病毒
與現(xiàn)有方法相比，該策略在構(gòu)建抗病基因方面具有多重優(yōu)勢(shì)：構(gòu)建簡(jiǎn)單，僅需改造單個(gè)aNLR基因；可針對(duì)眾多不同的病原進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)抗病基因、抗性廣譜且持久穩(wěn)定、不易被病原突破，且抗病效果強(qiáng)（對(duì)病毒等病原可實(shí)現(xiàn)完全免疫）。此外，該方法具有高度普適性，適用于所有作物，并可與基因組編輯技術(shù)結(jié)合，直接編輯植物內(nèi)源NLR基因獲得新型抗病基因。
由于該成果的重要性與創(chuàng)新性，《自然》雜志同期以“研究簡(jiǎn)報(bào)”（Research Briefing）形式對(duì)該工作進(jìn)行了題為“工程的植物免疫受體抗超過(guò)100余種病毒”（Plant immune receptor engineered to protect again more than 100 viruses）的報(bào)道，評(píng)價(jià)該工作“提出了一種優(yōu)雅簡(jiǎn)潔且高度創(chuàng)新的植物抗病方法”（present an elegantly simple yet highly innovative method for engineering disease resistance）。
清華大學(xué)生命學(xué)院教授劉玉樂(lè)為論文通訊作者，生命學(xué)院博士后王君竹為論文第一作者。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授洪益國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所研究員李付廣、葛曉陽(yáng)，南京師范大學(xué)教授許凱，清華大學(xué)副教授齊天從等為研究的完成作出了重要貢獻(xiàn)。此外，寧波大學(xué)教授燕飛、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員張曉明、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員郭惠珊、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李向東、崖州灣實(shí)驗(yàn)室研究員周儉民為研究提供了重要的病毒或菌株材料。研究得到清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家自然科學(xué)基金以及農(nóng)業(yè)生物育種國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09252-z
供稿：生命學(xué)院
編輯：贠爾茹
審核：郭玲
