6月17日，中国农业大学植物保护学院郭海龙教授团队在《细胞》（Cell）在线发表题为《跨科共转移感受型与辅助型NLR拓展了植物免疫受体在被子植物中的功能》（Interfamily co-transfer of sensor and helper NLRs extends immune receptor functionality between angiosperms）的论文，首次系统证明：通过共转移感受型与辅助型NLR免疫受体，可打破NLR免疫受体的“受限的分类学功能”（Restricted Taxonomic Functionality, RTF）瓶颈，在分类学跨度较大的植物间重建免疫信号通路。这一突破性发现不仅为作物病害的绿色防控提供了可行的新策略，也为未来多物种间的分子设计育种提供了重要理论依据和实践示范。

植物胞内核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体蛋白(Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs)通过直接或者间接的方式识别病原微生物分泌的效应蛋白激活效应子引发的免疫(Effector-Triggered Immunity, ETI)，引发细胞坏死进而抵御病原菌的侵染。目前克隆的抗病基因大都编码这类免疫受体蛋白，因此NLRs是作物抗病育种的重要靶蛋白。NLRs 作为在植物体内快速进化的一类蛋白，表现出一定的植物种属（科属）特异性；而一些保守效应蛋白广泛分布于同属（种）病原菌乃至不同病原菌中，因此在物种间转移NLR免疫受体是构建作物抗病性的一种潜在策略，如科学家们早期将来源于烟草的N基因转移至西红柿赋予了对烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus, TMV）的抗性。将来源于拟南芥的抗白锈病免疫受体WRR4引入至芥菜（Brassica juncea）和欧洲油菜（Brassica napus）赋予了对白锈病菌 （Albugocandida）的抗性。将小麦秆锈病抗病基因Sr22、Sr33、Sr35和Sr45转入大麦中可赋予对大麦抗秆锈病的能力。纵观目前NLRs的跨界转移赋予抗病性的例子大都发生在彼此亲缘关系较近的科内（intrafamily）物种间，而NLRs跨科（interfamily）转入远缘物种后常出现抗病功能丧失，造成跨物种转移应用中受限的分类学功能（Restricted Taxonomic Functionality, RTF），例如由野油菜黄单胞菌辣椒斑点病致病变种（X. campestris pv. vesicatoria, Xcv）引起的辣椒和番茄细菌性疮痂病是普遍发生在茄科植物上的一种细菌性病害，将源于辣椒的抗Xcv的NLR基因Bs2转移至番茄中，转基因番茄表现出对Xcv良好的抗性，这种基因对基因抗性依赖于效应蛋白AvrBs2。但将Bs2转移至亲缘关系较远的拟南芥和木薯中，转基因拟南芥和木薯并未表现出对野油菜黄单胞菌野油菜致病变种(X. campestris pv. campestris, Xcc）和地毯草黄单胞菌木薯萎蔫致病变种(X. axonopodis pv. manihotis)的抗性，尽管效应蛋白AvrBs2的在Xcc和Xam中也高度保守。这与细胞质膜上的模式识别受体(Pattern Recognition Receptors, PRRs)的跨界转移不同，比如拟南芥模式识别受体EFR虽然只分布在十字花科植物中，但在西红柿、水稻、小麦乃至柑橘、香蕉等果树中表达拟南芥的EFR也能赋予这些植物识别细菌延伸因子EF-Tu的能力并增强它们的细菌抗病性，这与PRRs下游信号通路在不同物种中相对保守有关。因此RTF很大程度上限制了NLRs在远缘作物中开展抗病种质创制的应用。

水稻细菌性条斑病是由稻生黄单胞菌条斑致病变种(X. oryzae pv. oryzicola, Xoc) 通过伤口或气孔侵入导致，是我国重要的水稻病害之一，每年造成巨大的水稻产量损失。‌但在水稻种质资源中至今尚未鉴定到编码NLR受体的主效抗病基因，严重制约了对这类病害的防控效果。研究团队基于AvrBs2在黄单胞菌属中高度保守这一现象，发现在烟草中瞬时表达Bs2和Xoc的AvrBs2能诱发细胞坏死，表明Bs2能识别直系同源效应蛋白AvrBs2Xoc，这为在远缘物种水稻中利用辣椒的Bs2防治细菌性条斑病提供了基础，但Bs2转基因水稻并没有赋予对Xoc的抗病性，这与前期发现的Bs2在木薯和拟南芥中呈现出RTF的现象是一致的。近年来研究发现在激活细胞死亡和抗病反应过程中，一类称为辅助型NLRs （Helper NLRs）位于识别病原菌无毒蛋白的感受型NLRs（Sensor NLRs）下游，辅助型NLRs对于感受型NLRs激活后的抗病信号的传递起到关键作用，如拟南芥ADR和NRG1家族以及茄科特有的NRC家族。鉴于前期研究表明Bs2的功能需要依赖这类辅助型NRCs，推测NRCs类辅助型NLRs在其它远缘作物中的缺失是Bs2应用存在RTF的关键原因。鉴于水稻与辣椒分化于大约2亿年前，仅共转移Bs2和NRCs是否就足以在水稻中重构ETI信号通路还是需要额外的茄科特异的蛋白还不清楚。

研究团队将辣椒Bs2及烟草NRC2/NRC3/NRC4辅助型免疫受体共同转移至水稻中，接种Xoc而非ΔAvrBs2突变菌株能诱导NRC2和NRC4在转基因水稻里寡聚化，表明在水稻里重构AvrBs2Xoc激活Bs2的ETI信号通路，暗示仅转移茄科植物的感受型和辅助型NLR受体就足以在水稻中重构ETI信号通路（图一）。接种Xoc后发现转基因水稻表现出对水稻细菌性条斑病菌的ETI抗病性（图二），而共表达感受型和辅助型NLR免疫受体的转基因水稻重要农艺性状如株高、有效分蘖数、每穗粒数、千粒重无明显差异；转基因水稻的基础抗性也不受影响。此外，英国赛恩斯伯里实验室 (The Sainsbury Laboratory) 的Jonathan Jones研究团队也发现转基因拟南芥共表达源于光果龙葵(Solanum americanum)晚疫病抗病基因Rpi-amr3和光果龙葵或烟草的NRC2在用细菌投递致病疫霉(Phytophthora infestans)效应蛋白AvrAmr3后能诱发细胞坏死，共表达Bs2及Rpi-amr1和光果龙葵的NRC2/NRC3/NRC4在大豆中可以引起AvrBs2及AvrAmr1诱发的细胞坏死，表明通过共转移辅助型NLR可将感受型NLR受体的功能拓展到其它多个植物中。

图一：共导入感受型和辅助型NLR的转基因水稻在接种Xoc后可诱导辅助型NLR在体内寡聚化，并诱导防御相关基因表达，表明二者在水稻中的协同表达成功重构了ETI信号通路。

图二：与对照相比，转基因水稻在室内和大田人工接种Xoc后表现出ETI抗性

该成果克服了Bs2这类免疫受体跨远缘物种利用障碍这长期悬而未决的难题，在国际上首次阐明共转移感受型和辅助型NLR受体可以打破NLR的RTF，实现NLR受体在不同作物中抗病育种的广泛应用。基于此策略，在水稻里重建针对细菌性条斑病菌的免疫通路，同时创制了对细菌性条斑病菌抗病性的水稻新种质资源。这为在种质资源中缺乏内源抗病基因，利用其它物种NLRs的生物育种应用提供了很好的范例。例如一些致病疫霉的效应蛋白在其它疫霉菌种中是保守的，一些早期克隆的能识别致病疫霉效应蛋白的茄属NLRs也能够识别其它疫霉菌中的直系同源效应蛋白。如果将这些茄属NLRs与NRCs共同转移至大豆、可可和草莓等作物也能提供对侵染这些作物疫霉菌的抗性。因此该研究为病害绿色防控和生物育种提供了重要理论基础和育种策略（图三）。

图三：跨科共转移感受型与辅助型NLRs拓展了茄科胞内免疫受体在水稻、拟南芥和大豆中的功能

中国农业大学植物保护学院博士研究生杜晓斐和英国赛恩斯伯里实验室博士后Maheen Alam为该论文共同第一作者；郭海龙教授、英国赛恩斯伯里实验室Jonathan Jones教授及吉林农业大学孙文献教授为共同通讯作者；博士研究生张宇和崔福浩副教授为本研究做出了重要贡献。本研究得到国家重点研发青年科学家项目(2022YFD1401400)、国家自然科学基金面上项目(32270307)、拼多多-中国农业大学研究基金(PC2023B02014, PC2023A01005)资助。

延伸阅读：郭海龙课题组简介

郭海龙博士于2021年加入中国农业大学植物保护学院，任教授、博士生导师，组建植物分子免疫学实验室。一直以来致力于植物胞内NLR免疫受体的工作机理、调控机制和下游信号通路展开研究，并利用NLR免疫受体开发病害绿色防控技术。相关成果以第一或通讯作者（含共同）发表在Cell、Cell Host & Microbe、Nature Communications、PNAS、Plant Physiology等学术期刊上。课题组长期欢迎理想远大，勤奋坚韧、能自我管理的本科生、研究生、博士后等热爱科研的青年学者加入。