研究首次揭示细胞膜受体蛋白双重功能

【中国科学报】植物细胞膜上的“哨兵”与“枪手”

2022-09-28 来源:中国科学网 作者:李晨 俞佳宁 图片:

疫霉菌导致的大豆根腐病严重威胁大豆高产稳产。南京农大供图

细胞膜受体蛋白RXEG1发挥免疫识别受体功能的具体机制。南京农大供图


植物大战病原菌的“军备竞赛”中,细胞膜识别受体作为监控病原菌入侵的“前哨”,能够激活植物体内多层次的防卫系统,产生对病原菌的抗性。自1994年在国际上被首次鉴定以来,它作为抗病受体一直是科学家关注的焦点。然而近30年来,人们对其如何被激活、发挥抗性的作用机制并不了解。

9月21日,清华大学教授柴继杰团队和南京农业大学教授王源超团队合作在《自然》上发表研究论文,解析了细胞膜受体蛋白RXEG1识别病原菌核心致病因子XEG1,从而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。

论文审稿人指出,“这是植物免疫领域的一项开创性工作(ground breaking),非常令人兴奋的发现”。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。

如何找到病原菌的“要害”

在与病原菌的长期斗争中,植物进化出精细、复杂的免疫系统,通过识别病原菌的侵染从而激活植物抗性,保护自身免受侵害。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”?

论文共同通讯作者王源超告诉《中国科学报》,植物细胞膜上的免疫识别受体是一大类蛋白质,自从1994年发现,其成员逐渐增多,已经达到数百个。各国科学家努力探索这类受体究竟是如何激活下游免疫机制的,但一直没有搞清楚。

重大作物疫病的成灾机制是王源超带领的作物免疫团队长期关注的重点。他们的研究一直围绕疫霉菌“攻击”和植物“抵抗”的过程来开展,而这被认为是一块难啃的骨头。

知己知彼、百战不殆,团队成员们认为,正确识别敌军,是植物大战病原菌的第一步。王源超作了一个生动的比喻:“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。”

他解释说,传统的作物抗病基因抗性丧失是由于病原菌性状变异——就好像病原菌换了个发型,抗病基因不认识了。然而,“换发型”对病原菌而言并没有发生本质上的变化——鼻子嘴巴没有变。所以,识别出病原菌的关键的稳定的特征因子,即通常所说的保守因子,开发出相应的抗病基因,才能避免因为“换发型”而认不出病原菌。

2006年,国际上完成了疫霉菌基因组测序。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”如何向植物展开攻击。

2015年,该团队首次发现大豆疫霉菌在侵染大豆过程中分泌的糖基水解酶XEG1,可通过降解细胞壁破坏植物的抗病性。

而且,XEG1正是不同病原菌中普遍存在的、不易改变的关键因子,即病原菌的“鼻子嘴巴”。这样一下子抓住了病原菌的“要害”。

他们随后的研究揭开了XEG1的神秘面纱。

原来,植物通过分泌抑制子蛋白GIP1,与XEG1结合并抑制其酶活性,从而达到干扰XEG1的作用。不过,GIP1并没有让植物一招制胜。

反而是疫霉菌在漫长的进化过程中变异出XEG1的酶活丧失突变体XLP1,并把它作为“分子诱饵”,竞争性地与GIP1结合,声东击西,从而保护核心致病因子XEG1免受植物GIP1的攻击。这一病原菌的致病新机制被该团队称为“诱饵模式”。

大战并没有偃旗息鼓。寄主植物大豆演化出天冬氨酸蛋白酶GmAP5降解XEG1的抗病机制,而疫霉菌通过N-糖基化修饰来保护XEG1免受攻击。

“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。”王源超认为。

发现病原菌入侵的“前哨”

既然XEG1是病原菌的“要害”,与之共存并斗争了上万年的寄主植物大豆又怎能没有对策呢?

2018年,王源超团队发现了植物细胞膜上的识别受体RXEG1,原来这就是植物发现XEG1入侵的“前哨”。

“当时我们就想得到识别受体RXEG1的三维结构,进而搞清楚下游免疫机制是如何被激活的。”王源超说,要找最好的团队合作。

当柴继杰团队收到王源超伸来的橄榄枝时,并没有十足的信心做出RXEG1的蛋白结构。因为此前和国外团队合作的此类细胞膜受体蛋白结构解析,都没有太好的进展。

不过这一次,RXEG1的结构得到了成功解析。柴继杰认为受体的“生化特性做的特别靠谱和扎实”,二者结合的活性非常灵敏,并且两个蛋白足够大,能够表达出来,都是这次成功的关键原因。

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”、二者结合的“中间态”和“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岛区发生构象改变。

“XEG1就像一把钥匙,当RXEG1这把锁被钥匙打开时,诱导RXEG1的构象发生改变,从而促进RXEG1与共受体蛋白激酶BAK1的异源二聚化,激活植物免疫信号。”论文共同第一作者、南京农大副教授王燕介绍,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使RXEG1与BAK1互作,从而激活植物抗性。

这就是细胞膜受体蛋白RXEG1发挥“免疫识别受体”功能的具体机制。这也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。

第二重身份“战士”

进一步的研究给科学家带来了意外的惊喜。

RXEG1不仅仅是吹响防御号角的哨兵,还打响了阻击病原菌入侵的第一枪。

原来,识别受体RXEG1结合在XEG1的酶活性口袋,并借此抑制了XEG1的糖基水解酶活性,从而降低疫霉菌的致病性。RXEG1能够发挥作为“抑制子”的第二重功能。

“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。

王源超说,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。例如,水稻稻瘟病、小麦赤霉病、锈病等,其病原菌都可通过XEG1攻击宿主植物。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。

“这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。”王源超说。

细胞膜受体蛋白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。对这一过程的深入了解,也是全面认识作物病害成灾机制和植物免疫形成机制的基础,不但对改良作物广谱、持久抗病性具有重要指导意义, 也为未来开发绿色新型生物农药奠定核心理论基础。

“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,以及靶向RXEG1的植物免疫激活剂,都将成为可能。”王源超说。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民认为,这项工作揭示了植物免疫的新范式,为更好的利用和改造抗病基因、服务绿色农业铺平了道路。

中国工程院院士康振生说,从鉴定疫霉菌核心致病因子XEG1到挖掘免疫识别受体RXEG1,到破解类受体蛋白免疫激活机制,这一系列原创性研究的突破,形成了植物与微生物互作领域的经典范例,对改良植物的广谱抗病性具有重要价值。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05214-x

原文链接:https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/9/486857.shtm



审核:许天颖

校对:田相洁

编辑:俞佳宁

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