7年前的一個周六晚上，南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院教授陶小榮照例和學生們交流研究進展。學生陳靜剛剛做出來的辣椒免疫受體Tsw的電泳圖結(jié)果引起了他的注意。

“這個受體是同類型其它受體的兩倍大小。為什么它會這么大？它到底有什么功能？” 陶小榮覺得，這個看似偶然的現(xiàn)象很可能是揭秘植物抗病機制的重要線索。“只有做重要的科學問題，才能出重大的突破。”

(資料圖片僅供參考)

此后，他們在這片“無人區(qū)”堅持不懈的探索，并第一次揭示了病原物效應(yīng)子直接靶向植物激素受體促進侵染，而植物NLR免疫受體模擬受攻擊的激素受體監(jiān)控病毒效應(yīng)子的干擾，并激活免疫機制的新機制。

12月15日，這一研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。中國工程院院士康振生說，這一新的進展，為我國植物免疫學研究揭開了新的一頁，提供了新的思路；為抗病育種等應(yīng)用前景奠定了必不可少的理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。

一張電泳圖引發(fā)的研究

電泳圖結(jié)果中，辣椒免疫受體基因Tsw的大小是6.3kb。而一些經(jīng)典的NLR免疫受體基因只有3kb。能敏銳地觀察到這個“異常”，是由于這個團隊已經(jīng)深耕植物免疫系統(tǒng)研究多年。

陶小榮告訴《中國科學報》，當時他們正在研究番茄斑萎病毒，該病毒是最具破壞性的植物病毒之一，每年在全球范圍內(nèi)對辣椒、番茄等重要經(jīng)濟作物造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

番茄感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農(nóng)大供圖

辣椒感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農(nóng)大供圖

然而，經(jīng)歷了千萬年的進化，病原微生物和植物之間一直在進行著復雜而精細的進攻與防御的“軍備競賽”。想要在這場紛亂的“戰(zhàn)爭”中厘清機制，并不是一件容易的事。

陶小榮解釋說，病原微生物為了自己的侵染和傳播，需要入侵到植物體內(nèi)，它利用自己的“武器”去攻擊寄主植物；而植物為了自身的生存，需要跟病原物去戰(zhàn)斗，從而進化出防御系統(tǒng)監(jiān)控并銷毀病原物“武器”的攻擊。

“在彼此戰(zhàn)斗過程中，病原物的‘武器’會越來越多樣化，而植物也會進化出越來越多樣化的防御系統(tǒng)，阻止病原物的進攻，這就是植物和病原之間的‘軍備競賽’。”陶小榮說，植物和病原之間的軍備競賽機制是一個復制而精密的系統(tǒng)，搞清楚里面的一條條線索和機制，需要大膽地假設(shè)和小心地求證。

“找到重要的線索，這個就是做科研的奧秘所在。”陶小榮說，已知Tsw是辣椒中針對番茄斑萎病毒的抗病基因，它編碼一個NLR免疫受體，通過識別病毒編碼的效應(yīng)子NSs蛋白進而誘導植物對病毒的免疫反應(yīng)。這正是論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院博士生陳靜能夠在對Tsw的研究中發(fā)現(xiàn)重要線索的原因。

陳靜介紹，然而Tsw-NLR受體蛋白的一級結(jié)構(gòu)上比對不到什么有用的信息，此前也沒有其他相關(guān)研究可以參考，無法解析Tsw這么大的功能是什么。因此他們就開始分析該蛋白的三維結(jié)構(gòu)模型，希望找到有用的線索。

“這是一個知識盲區(qū)，用現(xiàn)有的知識體系還無法解釋這樣的現(xiàn)象。前沿研究是無人區(qū)。”陶小榮說，這個課題經(jīng)歷過一波三折，克服一道道困難，沒有堅持是不可能完成的。

“模擬”激素受體 “誘騙”病毒效應(yīng)子

通過三維結(jié)構(gòu)建模和同源比對分析發(fā)現(xiàn)，在Tsw中具有一個超大的富含亮氨酸重復序列結(jié)構(gòu)域（LRR）。更令人吃驚的是，該結(jié)構(gòu)域竟然與植物激素茉莉酸、生長素和獨腳金內(nèi)酯這三個植物激素的受體相似。

在植物復雜而精細的免疫系統(tǒng)中，由激素激發(fā)的免疫途徑在抗病過程中發(fā)揮重要作用。陶小榮介紹，茉莉酸參與抗病和抗蟲，這都是過去眾所周知的。生長素參與植物的生長，比如向光性，但也參與對病毒的抗性。獨腳金內(nèi)酯參與植物分蘗，也曾被報道可以抗病和抗線蟲。

在激素通路中，激素受體感受到激素后，會啟動下游一系列的基因進行轉(zhuǎn)錄重編程。茉莉酸受體COI1、生長素受體TIR1和獨腳金內(nèi)酯受體搭檔蛋白MAX2都帶有一個LRR結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域起著啟動激素通路的作用。而Tsw-NLR受體蛋白中的LRR結(jié)構(gòu)域正是與激素受體的LRR結(jié)構(gòu)域相似。

“這直接促使我們提出一個‘軍備競賽’的假說：病毒會攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個NLR免疫受體是用來監(jiān)控病毒的這種攻擊的。這是這個課題最重要的科學問題。”陶小榮說。

Tsw NLR免疫受體監(jiān)控病毒靶向激素受體誘導抗病的工作機制圖。南京農(nóng)大供圖

過去研究中有不少病原物效應(yīng)子攻擊植物激素通路的報道，但是沒有報道過病原物效應(yīng)子直接攻擊植物激素受體的例子，植物免疫系統(tǒng)是否能夠監(jiān)控效應(yīng)子也不知道。

不過，科學家已經(jīng)知道，Tsw通過識別病毒效應(yīng)子NSs，誘導植物產(chǎn)生強烈的抗病反應(yīng)。“于是我們想到，病毒NSs蛋白會攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個免疫受體則進化出類似于植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，通過模擬植物激素受體，‘誘騙’病毒效應(yīng)子NSs，繼而監(jiān)視病原物攻擊過程，最終通過植物免疫系統(tǒng)實現(xiàn)抗病這一過程。”陶小榮說。

“魔”高一尺“道”高一丈

進一步的研究證實了這個猜測。病毒效應(yīng)子NSs與三種植物激素通路互作時，并不直接與激素受體相互作用，而是與一種名為TCP21的蛋白質(zhì)直接相結(jié)合，TCP21能夠與三種激素受體相互作用并抑制激素信號的活性。

陶小榮解釋，當TCP21與病毒效應(yīng)子一結(jié)合，就好像形成了一條遏制激素活性的繩索，將激素受體牢牢捆綁在一起，束縛了它們的手腳，活力自然大大降低。這樣一來，由激素系統(tǒng)激發(fā)的免疫通路就陷入了癱瘓。

激素介導的這一層免疫系統(tǒng)淪陷，植物另一層免疫系統(tǒng)卻在暗中儲備“兵力”。論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學植物學院博士生趙延曉介紹，植物免疫受體Tsw進化出來模擬植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，也與TCP21結(jié)合，并巧妙利用了病毒蛋白“捆大繩”的特性，在病毒蛋白NSs存在下，Tsw—NLR免疫受體與TCP21的結(jié)合，相對于激素受體與TCP21的結(jié)合具有更強的親和力。

因此，病毒靶向激素受體的時候，NLR免疫受體Tsw會率先感知到這個過程，進而迅速觸發(fā)免疫反應(yīng)。

“TCP21同時跟三個激素受體互作，病毒效應(yīng)子NSs通過靶向TCP21把三種激素受體全部‘干掉’，這是病毒的‘高明’之處。而植物免疫受體Tsw—NLR進化出來模擬植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，也與TCP21互作，病毒效應(yīng)子NSs靶向三個激素的時候，免疫受體Tsw—NLR憑借更強的結(jié)合力會提前感知到這個過程，并與病毒效應(yīng)子NSs結(jié)合，激發(fā)下游免疫反應(yīng)。這是植物免疫受體的‘高明’之處。”陶小榮說。

而且，激素介導的抗病是一種比較弱的基礎(chǔ)抗病性。NLR免疫受體蛋白介導的抗病性則非常強烈持久，可以有效滅除病原菌。在病毒效應(yīng)子NSs存在的情況下，植物通過這一機制“選擇”了更為強烈的NLR免疫反應(yīng)，誘敵深入，從而更好的保護自己。“這為作物抗病的生產(chǎn)應(yīng)用提供了廣闊前景。”陶小榮說。

新機制為抗病育種提供新思路

陶小榮強調(diào)，沒有病原菌時，NLR免疫受體這個“開關(guān)”處于關(guān)閉狀態(tài)，這時抗性不啟動；當病原菌入侵時，NLR免疫受體感知到效應(yīng)子，開關(guān)就會打開，轉(zhuǎn)換成另外一種狀態(tài)，啟動下游一系列抗病反應(yīng)。

陶小榮（左）帶領(lǐng)學生分析實驗現(xiàn)象。南京農(nóng)大供圖

他說，NLR免疫受體也是過去人們所熟知的經(jīng)典的抗病基因（R基因），是在生產(chǎn)上最有利用價值的抗病基因。這一類的抗病基因的特點是，單基因就可以具有免疫作用，只要將這個抗病基因通過雜交和回交引導感病品種中，感病品種就可以實現(xiàn)抗病性。因此這一類抗病基因在抗病育種中得到廣泛應(yīng)用。

“全球每年因病毒病造成的作物經(jīng)濟損失超過4000億元。雖然沒有有效殺滅病毒病的農(nóng)藥，但是利用抗病品種可以將其有效控制。”陶小榮說。

《自然》審稿專家表示，這一研究結(jié)果提供了一個復雜的“效應(yīng)子毒性—NLR反毒性”的令人感到神奇的案例。這一發(fā)現(xiàn)非常精彩，將對植物免疫學相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員周儉民說，病毒是病原微生物中最小最簡單的一種，但是人類至今對病毒了解的不多。該研究成果深入研究了抗病毒基因，揭示了前所未知的新的抗病機制，將啟發(fā)科學家如何影響植物的激素系統(tǒng)，使得植物能夠更好的抵抗形形色色的病毒病害。

康振生建議，進一步的研究可以聚焦在如何把新發(fā)現(xiàn)的抗病機理與生物育種有機結(jié)合起來之上，并為其它作物和病毒病研究提供借鑒和參考。對抗病機制的進一步探索和研究，可以在這些新的知識和理論體系的指導下，發(fā)展出新的抗病技術(shù)、培育出新的抗病材料。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05529-9

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