Nature丨南农大植物病毒学团队揭示植物免疫受体监控病毒靶向激素受体诱导抗病新机制

2022-12-15 来源:党委宣传部、党委教师工作部 作者:许天颖 张臻玮 图片:

北京时间12月15日零点,国际顶级期刊《自然》Nature在线发表南京农业大学植物保护学院陶小荣教授团队最新成果,该成果首次揭示病毒攻击植物激素受体有利自身侵染,植物则进化出了一种免疫受体模拟受攻击的激素受体,从而识别病毒、并激活免疫反应,该研究揭示了植物免疫受体监控病毒靶向激素受体诱导抗病的全新机制,提供了植物与病毒“军备竞赛”的新案例。

据了解,全球每年因病毒病造成的作物经济损失超过4000亿元,与其他农作物病害不同,病毒病无法依靠农药进行防治,挖掘、利用植物的抗病基因是防控病毒病最绿色高效的手段。

一种被称为NLR的抗病基因是植物进化出来的最大的一类抗病基因,在许多病虫害防控中发挥了关键作用。NLR抗病基因是植物免疫系统中的关键执行者,它是植物免疫系统的受体蛋白,负责感知与监控病原微生物的入侵,一旦监测到病原物,NLR免疫受体就迅速启动高效的抗病反应进而杀灭病原物。那么,NLR免疫受体究竟如何识别病原微生物、又是如何激活植物自身免疫系统的呢?这是合理利用抗病基因、实现作物高产稳产的基础,也是植物病理学领域的核心科学问题。

据资料显示,负链RNA病毒是危害农作物生产的一类重要植物病毒,番茄斑萎病毒也是其中之一,该病毒每年在全球范围内爆发流行,对辣椒、番茄等几百种植物造成危害。辣椒抗病基因Tsw可有效控制番茄斑萎病毒,该抗病基因在辣椒抗病毒育种上得到广泛应用,Tsw编码一个NLR免疫受体,它通过识别病毒编码的NSs的蛋白诱导对病毒的免疫反应,但是Tsw如何识别病毒NSs蛋白以及如何激活植物免疫通路的机制一直以来未得到揭示。

据陶小荣介绍,团队在一次偶然的实验中注意到,辣椒免疫受体Tsw的大小很奇特,其大小是常规免疫受体的两倍。通过三维结构建模和同源比对分析发现,在Tsw中具有一个超大的富含亮氨酸重复序列(LRR)结构域。

更令人吃惊的是,该LRR结构域竟然与植物激素茉莉酸、生长素和独脚金内酯这三个植物激素受体的LRR结构相似。TswNLR免疫受体是通过识别病毒编码的NSs蛋白而诱导抗病反应。

这促使团队提出了一个大胆的“军备竞赛”的假说:病毒NSs蛋白直接攻击这三个植物激素受体,而Tsw这个免疫受体则进化出类似于植物激素受体的结构域,通过模拟植物激素受体,‘诱骗’病毒效应子NSs,继而监视病毒攻击过程,最终通过激活植物免疫系统实现抗病这一过程。

Tsw NLR免疫受体监控病毒靶向激素受体诱导植物抗病机制图

陶小荣团队深入研究发现,在植物的防御体系中,茉莉素、生长素等激素信号系统在抵御病毒的侵染中发挥重要作用,其中激素受体是激素信号启动的关键开关。但在日渐激烈的对战中,病毒利用自身的武器“效应子NSs”直接靶向激素受体,进而抑制植物激素介导的抗病反应。

病毒效应子NSs首先与激素受体上一种名为TCP21的蛋白质结合。这个蛋白质就像锁链,病毒一旦与之结合,就能抑制激素受体的活性,束缚住激素的“手脚”,不让它们去激活激素介导的对病毒的抗性,这样一来,由激素系统激发的免疫通路就陷入了瘫痪。然而,病毒的这一招却并未“致命”,反而诱发了这场植物与病毒攻守之战的“军备升级”。

虽然激素介导的这一层免疫系统沦陷,植物另一层免疫系统却在暗中储备兵力——团队发现,植物免疫受体Tsw进化出来模拟植物激素受体的结构域,Tsw模拟激素受体结构域也与TCP21结合,并巧妙利用了病毒蛋白“捆大绳”的特性,在病毒蛋白NSs存在下,Tsw NLR免疫受体与TCP21相对于激素受体与TCP21具有更强的亲和力。

因此,病毒靶向激素受体的时候,NLR免疫受体Tsw也会感知这个过程,进而迅速触发免疫。激素介导抗病-病毒攻击激素受体-免疫受体监控病毒,这就是这场军备竞赛的新升级:植物防御-病毒反防御-植物再防御,植物免疫系统最终歼灭了病毒。

陶小荣介绍,激素介导的抗病是一种基础抗病性,是一种比较弱的抗性。NLR免疫受体蛋白介导的抗病性则是非常强烈持久的抗病,可以有效灭除病原菌。在病毒效应子NSs存在的情况下,植物通过这一机制“选择”了更为强烈的NLR免疫反应,诱敌深入,从而更好地保护自己,这为作物抗病的生产应用提供了广阔前景。

成果新闻发布会线上线下同步进行

中国工程院院士、西北农林科技大学植物保护学院教授康振生认为,该成果精细解析了植物病毒致病机理和作物抗病机制,为植物免疫学揭开了新的一页,为后续发展新的抗病技术、培育新的抗病材料奠定了理论基础,有利于科学家们更好地探讨植物病虫害绿色防治,从而为提升作物健康、粮食安全、食品安全等重要议题提供了可选择的路径。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民表示,病毒是病原微生物中最小最简单的一种,但是人类至今对病毒了解的不多。该研究成果深入研究了抗病毒基因,这些发现将有利于人类更好地认识作物病害发病机制、作物抗病过程,为提升农林业绿色防控、改良农作物,提供了可能的应用前景。

《自然》审稿专家在成果评价中表示,这一研究结果提供了一个复杂的“效应子毒性-NLR反毒性”的令人神奇的案例,辣椒上的抗病基因Tsw可有效控制番茄斑萎病毒,Tsw监测病毒NSs对多种植物激素受体的攻击的发现非常精彩,该发现将对植物免疫学相关领域产生深远的影响。

陶小荣教授带领学生深入实验 

该论文第一署名单位为南京农业大学,博士生陈静与赵延晓为论文共同第一作者,陶小荣教授为通讯作者。南京农业大学植物病毒学实验室朱敏副教授、李佳副教授、植保学院马振川教授、美国杜克大学何胜洋院士和美国加州大学戴维斯分校的Savithramma P. Dinesh-Kumar教授参与了该研究。该研究得到了国家自然科学杰出青年基金等项目的资助。

值得一提的是,3个月前,9月22日《自然》期刊刊发南农大作物免疫团队与合作者揭示的植物受体抗病“双重免疫”功能的最新成果,在南京农业大学植物保护学院,在国际顶刊连续发表原创性成果已经不是第一次,2017年该学院关于病菌致病新机制和昆虫测报算法的研究就曾在一周内连续登顶《科学》。

南京农业大学副校长丁艳锋表示,农业科研要胸怀“国之大者”,抢占基础研究与应用研究融通发展的制高点,不仅要敢于抢占基础领域“高地”、还要考虑如何将研究成果落地,真正为我国农业绿色发展提供理论与技术支撑。要注重“有组织科研”,在自由探索基础上,进一步凝聚学科与团队的优势,打造真团队、凝练真问题,切实提升学科核心竞争力。要有良好的科研氛围,学校将以近期连续发表高水平成果为契机,积极营造尊重探索、包容试错的良好环境,力争催生更多更好的农业科技成果。


审核:屈勇、赵烨烨

校对:崔滢

编辑:俞佳宁

阅读次数:51

(0)