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【新华社】南农大作物免疫团队与合作者揭示植物受体抗病的“双重免疫”功能

2022-09-22 来源:新华社 作者:俞佳宁 许天颖 图片:

北京时间9月21日,南京农业大学王源超教授团队和清华大学柴继杰教授团队合作在国际权威学术期刊《Nature》上发表题为“Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase”的研究论文,解析了细胞膜受体蛋白RXEG1识别病原菌核心致病因子XEG1激活植物免疫的作用机制,首次揭示了细胞膜受体蛋白具有“免疫识别受体”和“抑制子”的双重功能,这为人类认识复杂精密的植物与病原菌互作机制提供了新的认知,对改良作物广谱、持久抗病性具有重要指导意义,同时为开发绿色新型生物农药奠定核心理论基础。

研究团队在《Nature》上发表论文截图

植物细胞膜识别受体作为监控病原菌侵害的“前哨”,通过识别病原菌保守致病因子,激活植物多层次防卫系统,产生对病原菌的抗性。自1994年在国际上首次鉴定以来,植物细胞膜受体蛋白作为抗病受体一直是关注的焦点,但对于其如何被激活发挥抗性的作用机制尚未揭示。

合作团队利用晶体衍射和冷冻电子显微镜技术解析了识别受体RXEG1的“静息态”、RXEG1-XEG1的“中间态”和RXEG1-XEG1-BAK1的“激活态”等多种不同状态的结构。通过多种生化和功能分析,明确了XEG1作为配体结合RXEG1胞外结构域诱导RXEG1岛区构象改变。

研究首先厘清了细胞膜受体蛋白发挥“免疫识别受体”功能的具体机制。“XEG1就像一把钥匙,当RXEG1这把锁被钥匙打开时,XEG1诱导RXEG1构象发生改变,从而促进RXEG1与BAK1的异源二聚化,激活植物免疫信号,”据论文共同第一作者王燕副教授介绍,XEG1不直接参与RXEG1与共受体蛋白激酶BAK1的互作,而是通过别构效应促进RXEG1与BAK1互作激活植物抗性。

细胞膜受体蛋白RXEG1发挥“免疫识别受体”功能的具体机制

该研究的重大突破还在于,发现了RXEG1能够发挥作为“抑制子”的双重功能。研究揭示,RXEG1结合在XEG1的酶活性口袋,RXEG1与XEG1结合后抑制了XEG1的糖基水解酶活性。

细胞膜受体蛋白RXEG1发挥“抑制子”功能的具体机制

“病原菌侵染过程中分泌的XEG1通过糖基水解酶活性破坏植物抗性。RXEG1就像一把大钳子,把XEG1对植物的破坏能力牢牢锁住” 王燕说。

研究中提到的XEG1,是在细菌、真菌和卵菌等多种病原菌中广泛存在的一类保守的糖基水解酶,可被烟草、大豆、番茄等多种植物识别诱导免疫反应。因此,该研究突破对于改良作物广谱、持久抗病性具有重要指导意义,同时为开发绿色新型生物农药奠定核心理论基础。

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近年来,南农大作物免疫团队的研究一直围绕疫霉菌“攻击”和植物“抵抗”的过程展开。2017年,团队通过对XEG1的研究,首次提出病原菌“诱饵模式”的致病新概念,实现了生物互作领域的重大理论突破。这次的合作研究首次揭示植物受体抗病的“双重免疫”功能,撬动了病原菌与作物之间攻守机制这一前沿研究领域的重大突破。

“声东击西、瞒天过海、明修栈道、暗度陈仓”,据团队负责人王源超教授介绍,南京农业大学作物免疫团队盯住的是一块曾经被认为难啃的骨头——重大作物疫病的成灾机制。20多年来,团队成员孜孜以求,为的就是逐步揭开在肉眼不可见的微观世界,植物与病原菌之间到底上演着怎样复杂而精密的“军备竞赛”。

正确识别敌军,是战役胜利的第一步。王源超作了生动的比喻:“一个人头发可以随时剪掉,但鼻子嘴巴的形状是很难改变的,我们要找的就是病原菌的鼻子嘴巴”。

传统的作物抗病基因抗性丧失是由于病原菌性状变异,被剪掉的头发,对病原菌并没有造成多大伤害,但是已经可以帮助病菌逃避作物的抗病识别。他们在做的,是另辟蹊径,找到相对稳定的、病原菌的关键特征分子。

2006年,随着国际疫霉菌基因组测序的完成,王源超意识到,可以从疫霉菌基因组入手,顺藤摸瓜,找到疫霉菌的“鼻子嘴巴”,研究它用什么样的“武器”如何植物展开攻击。

XEG1就是不同病原菌中普遍存在的、不易变的关键因子。2015年,团队首次发现大豆疫霉菌在侵染大豆早期分泌的糖基水解酶XEG1通过降解细胞壁破坏植物的抗病性,一下子抓住了敌军的“要害”。

团队进一步研究发现,植物分泌抑制子蛋白GIP1结合XEG1并抑制其酶活性干扰XEG1促进疫霉菌侵染的作用。在进化过程中,疫霉菌获得了XEG1的酶活丧失突变体XLP1,利用XLP1作为“分子诱饵”竞争性结合GIP1,保护核心致病因子XEG1免受植物GIP1的攻击,揭示了病原菌致病新机制“诱饵模式”。

研究随后发现,大豆疫霉侵染早期XEG1被寄主大豆分泌的天冬氨酸蛋白酶GmAP5降解,而病菌通过N-糖基化修饰来保护XEG1免受植物胞外蛋白酶GmAP5的攻击,这进一步说明XEG1是疫霉菌核心致病因子,病菌需要对其采用多重方式进行保护。

对于这次的研究突破,《Nature》审稿人这样评价:“这是植物免疫领域的一项开创性工作”。这项新的成果有两方面的重要发现:一是第一次从原子水平解析了植物免疫类受体蛋白激活机制,大大推进了人们对植物免疫机制的认识,二是首次发现了受体蛋白具有免疫识别和抑制子的双重功能。

类受体蛋白RXEG1激活机理的解析为未来改良作物广谱抗病性提供了重要的线索,也为以受体蛋白为分子靶标,筛选植物免疫激活剂,开发绿色生物农药提供了理论基础。

“通过人工智能的方法与手段,未来在大量化合物中筛选具有靶向性的XEG1抑制剂和靶向RXEG1的植物免疫激活剂将成为可能。”王源超说。(俞佳宁 许天颖)

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审核:许天颖

校对:俞佳宁

编辑:田相洁

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