南京農大陶小榮團隊揭示植物抗病基因對病原菌一種雙重識別機制

植物存在與動物類似的先天免疫系統，該免疫系統能夠準確識別病原菌並激活植物的防衛反應。植物免疫系統利用一類胞內免疫受體專門負責監測病原菌的入侵，當監測到病原菌入侵時，植物免疫受體就能夠被激活並針對入侵的病原菌發動國防戰爭，因此這一類抗病基因在農業生產和作物抗病育種中發揮非常重要的作用。植物胞內免疫受體發動的戰爭是一場對入侵病原菌極其慘烈的戰爭，植物通過啟動細胞程序化死亡來限制病原菌的侵染，一旦發動了戰爭，植物往往需要付出自身死亡的代價，因此對植物來說不能發動錯誤的戰爭。微生物可能有益也可能有害，植物免疫受體到底如何區分是敵是友，如何準確識別入侵的是真正的敵人，進而發動一場對病原菌精確的打擊，這是植物免疫系統監測病原菌研究中的前沿科學問題。南京農業大學植物病毒學研究團隊的最新研究揭示了植物免疫受體蛋白對病原菌一種新的識別機制，研究發現在植物免疫系統監測病毒入侵時，植物免疫受體蛋白Sw-5b通過兩步識別機制監測病毒入侵，第一步特異性識別病毒，打開一層開關，第二步再特異性識別病毒，進一步打開一層開關，通過雙重保障，精確打開免疫受體這個分子開關，進而發動對病毒的國防戰爭，研究還發現兩步識別機制能顯著增強植物免疫系統對病毒入侵的監測能力，該研究成果於近日發表在國際知名學術期刊《分子植物》（Molecular Plant，IF: 9.326）。

番茄斑萎病毒 (Tomato spotted wilt virus, TSWV) 可侵染82個科1000多種植物，每年在全球範圍內農業生產上造成數十億美元的經濟損失，被列為10大最具危害性的植物病毒之一。來自茄科植物的免疫受體Sw-5b特異性識別病毒移動蛋白NSm並誘導對番茄斑萎病毒的抗性，在抗病毒育種中具有重要的利用價值。免疫受體Sw-5b在一端含有茄科SD結構域，同時在另一端含有NB-ARC-LRR結構域。研究團隊前期研究發現，Sw-5b NB-ARC-LRR結構域能夠特異性識別病毒移動蛋白並激發植物過敏性壞死反應（New Phytologist, 2016;Plant Cell, 2017），本次研究發現Sw-5b的茄科SD結構域也能夠特異性識別病毒移動蛋白，在監測病毒入侵中發揮重要作用。

「迄今為止，絕大多數植物胞內免疫受體蛋白都使用單一的感知功能域來識別病原效應蛋白，通俗的說就是一次識別之後就會啟動防禦反應，Sw-5b已經能夠通過NB-ARC-LRR結構域識別病毒效應蛋白，為什麼還要多此一舉，再進化出一個額外的感知結構域識別病毒效蛋白？」帶著這樣的疑問，研究人員深入研究發現，Sw-5b NB-ARC-LRR結構域實際上是個「多面手」，同時扮演「探測器」和「分子開關」的角色，它既能夠探測識別病毒效應蛋白又能夠開啟植物防禦系統誘導植物產生過敏性壞死反應，而Sw-5b SD結構域則作為另一個「探測器」去感知細胞中是否有病原菌的效應分子存在。雖然NB-ARC-LRR也能感知細胞中的病毒效應蛋白，但是這個「多面手」監測病毒的靈敏度並不高，當細胞中病毒效應蛋白NSm濃度很低時，NB-ARC-LRR不能有效對其監測。令人驚奇的是，Sw-5b SD探測器能顯著增強NB-ARC-LRR對低濃度的NSm的識別能力並促進其激活誘導強烈的防禦反應，實驗數據顯示，當SD探測器存在時，NB-ARC-LRR能夠結合更多的病毒效應蛋白。該研究論文第一作者李佳博士給記者做了一番形象的描述：「Sw-5b N末端的SD結構域就像一個『吸鐵石』一樣的探測器，即使細胞中病毒的效應蛋白濃度很低，SD探測器也能夠將它吸附過來，形成富集效應，然後再將富集起來的病毒效應分子傳遞給NB-ARC-LRR這個探測器和分子開關，分子開關進行第二次識別驗證無誤後隨即啟動植物的防禦反應，這樣看來Sw-5b 通過採取兩步識別的機制來提高監測病原物的特異性和靈敏度是非常巧妙的。」

「與植物的基礎抗性所不同，植物胞內免疫受體所監測的對象是入侵到細胞內的病原菌。當病原菌已經入侵到植物細胞之內了這時對植物來說，敵人都進入了自己的領地了，國家已經到了非常危險的時刻，因此植物胞內免疫受體一旦監測到入侵到細胞內的病原菌效應蛋白，就會在病原菌侵染點啟動細胞程序化死亡，發動對病原菌強烈的國防戰爭。但是一旦發動戰爭，植物細胞就得付出慘重的代價，因此植物啟動免疫防禦系統必須精準。我們發現Sw-5b免疫受體蛋白進化出了一種新的精確識別病原菌的機制，它通過兩個獨立的感知域並採用兩步特異性識別病毒效應蛋白，這表明Sw-5b介導的對病毒的國防戰爭在啟動的關鍵步驟上是受到精確調控的，受體蛋白通過兩步精確識別雙重保障辨別敵友之分，精準啟動對病毒的防衛反應。同時這種新的識別機制能夠顯著增強對病原物監測的靈敏度，這有利於植物在病原物侵染初期迅速啟動抗病毒反應，將少數初侵染的敵軍消滅在萌芽之中」。論文通訊作者陶小榮教授表示。

該論文第一署名單位為南京農業大學，植物保護學院師資博士後李佳為論文第一作者，陶小榮教授為通訊作者。南京農業大學章文華教授、朱敏副教授以及美國加州大學戴維斯分校的Savithramma P. Dinesh-Kumar教授參與了該項研究。

值得一提的是該研究是南農植物病毒學研究團隊繼發現Sw-5b激活和抑制受多重調控（New Phytologist, 2016）和揭示Sw-5b通過識別效應蛋白NSm中一段高度保守小肽介導對番茄斑萎病毒屬病毒的廣譜抗性機制（Plant Cell, 2017）之後取得的又一重要研究結果。項目得到了國家自然科學基金重點項目和中組部「萬人計劃」青年拔尖人才項目和江蘇省特聘教授的資助。

Abstract

Plant intracellular nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) immune receptors play critical roles in pathogen surveillance. Most plant NLRs characterized so far were found to use single domain/sensor to recognize pathogen effectors. Here we report that Sw-5b NLR immune receptor uses two distinct domains to detect the viral movement protein NSm encoded by tospovirus. In addition to the previously reported LRR domain, we found that the N-terminal Solanaceae domain (SD) of Sw-5b also interacts with NSm and a conserved 21-amino acids region of NSm (NSm21). The specific interaction between Sw-5b SD and NSm is required for releasing the CC inhibition on NB-ARC-LRR region. Our results showed that the binding of NSm affects the nucleotide-binding activity of the NB-ARC-LRR in vitro. However, Sw-5b NB-ARC-LRR is activated only when NSm and NSm21 levels were higher. Strikingly, Sw-5b SD could significantly enhance the ability of NB-ARC-LRR to detect low levels of NSm effector and facilitate its activation to induce defense response. The Sw-5b SD mutant that is disrupted in NSm recognition failed to enhance the ability of NB-ARC-LRR in sensing low levels of NSm and NSm21. Taken together, our results suggest that Sw-5b SD functions as an extra sensor and the NB-ARC-LRR functions as an activator and Sw-5b NLR adopts a two-step recognition mechanism to enhance viral effector perception.

來源：南京農業大學

本期編輯：Tony

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