2025-06-30
文章題目: Interfamily co-transfer of sensor and helper NLRs extends immune receptor functionality between angiosperms
技(ji)術手(shou)段：轉基(ji)因(yin)、熒光素酶報告基(ji)因(yin)檢測(ce)(ce)、離子滲透檢測(ce)(ce)、煙草(cao)瞬時表達(da)、轉錄組測(ce)(ce)序、WB、qPCR等
中國農業大學植物保護學院郭海龍教授團隊在國際頂級期刊《Cell》首次系統證明通(tong)過共轉移感受(shou)型(xing)與輔(fu)助型(xing)NLR，可打破(po)NLR免疫(yi)(yi)受(shou)體的(de)(de)“受(shou)限(xian)的(de)(de)分(fen)類(lei)學功能”（Restricted Taxonomic Functionality, RTF）瓶頸(jing)，在分(fen)類(lei)學跨度較大的(de)(de)植物(wu)間重建ETI免疫(yi)(yi)信號(hao)通(tong)路。該(gai)研(yan)究(jiu)不僅對(dui)深入(ru)理解植物(wu)免疫(yi)(yi)系統提供了(le)新的(de)(de)理論基(ji)礎(chu)，而且(qie)對(dui)作物(wu)抗病分(fen)子設計育種提供了(le)新的(de)(de)思路和手段，為更好的(de)(de)利用(yong)遠緣(yuan)物(wu)種中抗病基(ji)因資(zi)源(yuan)，鋪平了(le)道路。
本研究的轉(zhuan)錄組測序以及部分(fen)數據(ju)分(fen)析(xi)工作由上(shang)海(hai)派(pai)森諾生物科技股(gu)份有限公司完成(cheng)。
文章亮(liang)點
1.綜合(he)技術手段(duan)：整合了轉(zhuan)基(ji)因、共轉(zhuan)化技術(shu)、病(bing)原(yuan)菌接種(zhong)實驗(yan)、熒光素酶報告(gao)基(ji)因檢(jian)測、免疫印跡分析、qPCR、mRNA-seq以及田間試(shi)驗(yan)等多種(zhong)技術(shu)手段(duan)，系統(tong)地研究(jiu)了感受型(xing)NLR 和(he)輔助型(xing) NLR 在(zai)煙草(cao)、大豆(dou)、擬(ni)南芥和(he)水稻(dao)等多種(zhong)植(zhi)物間共轉(zhuan)移后的功能及其(qi)對植(zhi)物抗病(bing)性的影響。
2.跨物(wu)種(zhong)抗病性提升：將來自辣椒的(de)感(gan)受(shou)型(xing)(xing) Bs2 基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)與輔(fu)(fu)助(zhu)型(xing)(xing) NLR 基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)引入(ru)至水(shui)稻中，成功(gong)使水(shui)稻獲得了對細(xi)菌性(xing)(xing)(xing)條紋(wen)病(bing)菌（Xoc）的(de)抗(kang)(kang)性(xing)(xing)(xing)，實現(xian)了“基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)對基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)”的(de)抗(kang)(kang)性(xing)(xing)(xing)，更重要的(de)是，感(gan)受(shou)型(xing)(xing)NLR和輔(fu)(fu)助(zhu)型(xing)(xing)NLR疊加(jia)（NLR stacking）的(de)轉基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)水(shui)稻農藝性(xing)(xing)(xing)狀沒有(you)受(shou)到影響，這為利用遠緣(yuan)植物的(de)抗(kang)(kang)病(bing)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)資源(yuan)來改良作物抗(kang)(kang)病(bing)性(xing)(xing)(xing)提(ti)供(gong)了新策略。源(yuan)自遠緣(yuan)物種的(de)NLRs可(ke)以作為尚未開發(fa)的(de)遺(yi)傳資源(yuan)，擴大(da)現(xian)有(you)作物的(de)抗(kang)(kang)病(bing)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)庫，為作物抗(kang)(kang)病(bing)育種服務。
研究背景
植(zhi)物胞(bao)內(nei)核苷酸結(jie)合(he)結(jie)構域和富含亮氨酸重復序列受體蛋白(bai) (Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs) 通過直接或者間接的方式識別病(bing)(bing)原微生物分泌的效應(ying)蛋白(bai)激活(huo)效應(ying)子引(yin)發的免(mian)疫 (Effector-Triggered Immunity, ETI)，引(yin)發細胞(bao)壞 死進而抵御病(bing)(bing)原菌的侵染。
然而，不同植物其種(zhong)(zhong)間的PRRs和(he)NLRs存在(zai)顯著差異，而很(hen)多NLRs跨科(ke)（interfamily）轉入遠緣(yuan)物種(zhong)(zhong)后常出(chu)現抗病(bing)功能喪失，造(zao)成跨物種(zhong)(zhong)轉移(yi)應(ying)用(yong)中受限(xian)的分(fen)類學功能（Restricted Taxonomic Functionality, RTF），RTF很(hen)大程度上限(xian)制了NLRs在(zai)遠緣(yuan)作物中開(kai)展抗病(bing)種(zhong)(zhong)質創(chuang)制的應(ying)用(yong)。
近(jin)年來研究發現，植物(wu)中有一類(lei)稱為輔助(zhu)(zhu)型NLRs (helper NLRs) 位于不(bu)同感受型NLR（sensor NLRs）的(de)下游，輔助(zhu)(zhu)型NLRs對于感受型NLRs激活后(hou)的(de)抗病(bing)信(xin)號的(de)傳(chuan)遞(di)起(qi)到關鍵作用。其深層機(ji)制(zhi)至今未明，成為植物(wu)抗病(bing)育種的(de)長期難(nan)以突破(po)的(de)技術瓶頸。
源于辣椒的(de)(de)抗Xcv的(de)(de)NLR基因(yin)Bs2和以及(ji)茄科特有(you)的(de)(de)NRC家族，鑒于前(qian)期研究表明(ming)Bs2的(de)(de)功能(neng)需要依賴這類輔助(zhu)型NRCs，本研究進(jin)一步驗證是否僅(jin)共轉移Bs2和NRCs是否就足以在水稻中(zhong)重(zhong)構ETI信號通路還是需要額外的(de)(de)茄科特異(yi)的(de)(de)蛋白。
技(ji)術路線
主(zhu)要研究(jiu)結果
1、感受型NLR和茄(qie)科輔助(zhu)型NLR在薔薇(wei)科和水稻中的協同表達成功激活了細胞(bao)死亡
作(zuo)者在煙草進行瞬時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)和離子滲透(tou)檢(jian)測(ce)(ce)，發現Bs2可(ke)(ke)以識別AvrBs2Xoc。與Bs2共表達時(shi)AvrBs2 Xoc可(ke)(ke)以誘(you)導過敏反應（HR）（圖1A），離子滲透(tou)檢(jian)測(ce)(ce)結果也證實了(le)這一(yi)點（圖1B）。
水(shui)稻原生質(zhi)體瞬時表達螢(ying)光素酶（LUC）實(shi)驗(yan)證明說明Bs2對AvrBs2Xoc的(de)識別需要輔助(zhu)型NLR的(de)幫助(zhu)（圖1C）。此外在大豆(dou)原生質(zhi)體的(de)LUC實(shi)驗(yan)證實(shi)Bs2和SaNRC2、SaNRC3、SaNRC4a共轉可抑(yi)制LUC活性(xing)，Rpi-amr1和SaNRC2、SaNRC3共轉可抑(yi)制LUC活性(xing)，但和SaNRC4a共轉不可抑(yi)制LUC活性(xing)(圖1D-E)
圖1：瞬(shun)時表達表明輔助(zhu)型(xing)NLR協助(zhu)感受型(xing)NLR克(ke)服RTF
2、攜帶感受型(xing)和輔(fu)助型(xing)NLR的擬南芥穩(wen)定轉基(ji)因系顯示效應依賴性細(xi)胞死(si)亡
為(wei)了測試茄科NLRs在(zai)非薔薇科如擬(ni)南芥中(zhong)的功能，作者構(gou)建了表達(da)載(zai)體(ti)(ti)(ti)1：感(gan)受型(xing)NLR、載(zai)體(ti)(ti)(ti)2：同時表達(da)感(gan)受型(xing)和(he)輔助NLR的載(zai)體(ti)(ti)(ti)，并(bing)在(zai)煙草(cao)NRC2/3/4敲除突變體(ti)(ti)(ti)中(zhong)進行測試，發(fa)現(xian)共(gong)表達(da)Bs2、NbNRC2、AvrBs2會(hui)(hui)引(yin)起(qi)(qi)HR, 共(gong)遞送(song)Rpi-amr3、NbNRC2、AvrAmr3會(hui)(hui)引(yin)起(qi)(qi)HR，而單(dan)獨遞送(song)Bs2或Rpi-amr3則不會(hui)(hui)引(yin)起(qi)(qi)HR（圖(tu)S2A-B）。
在擬(ni)南芥上的(de)載體(ti)1和(he)載體(ti)2的(de)轉(zhuan)基因(yin)株系(xi)結果證明轉(zhuan)入(ru) Rpi-amr3和(he)NbNRC2的(de)擬(ni)南芥和(he)轉(zhuan)入(ru) Rpi-amr3 和(he)SaNRC2的(de)擬(ni)南芥均(jun)能識別效應(ying)蛋白(bai)AvrAmr3，但在單獨(du)的(de)感受型NLR系(xi)中沒有(you)被識別出來（圖2）。
圖(tu)2：茄科Rpi-amr3/NRC2感受型和輔助型NLR協同作(zuo)用導致擬(ni)南(nan)芥細(xi)胞死亡
3、水稻中Bs2的(de)(de)表達(da)以(yi)NRC2、NRC3或NRC4依賴(lai)的(de)(de)方式賦予(yu)對Xoc的(de)(de)抗型
作(zuo)者(zhe)將辣(la)椒(jiao)Bs2及煙(yan)草(cao)NRC2/NRC3/NRC4輔助(zhu)型免疫受(shou)體(ti)共同轉移(yi)至水稻(dao)(dao)中，接種Xoc能(neng)誘導NRC2和(he)NRC4在轉基因水稻(dao)(dao)里寡聚化，表明在水稻(dao)(dao)里重構AvrBs2Xoc激(ji)活Bs2的(de)ETI信(xin)號通路，暗示僅(jin)轉移(yi)茄科植物的(de)感受(shou)型和(he)輔助(zhu)型NLR受(shou)體(ti)就足以在水稻(dao)(dao)中重構ETI信(xin)號通路（圖3）。
圖3：在(zai)水稻中的(de)轉基(ji)因系里Bs2與(yu)NRC2/NRC3/NRC4協同表達賦予對Xoc的(de)抗(kang)病性
4、水稻(dao)中異源表達的感受(shou)型(xing)(xing)和輔助型(xing)(xing)NLRs不(bu)影響基(ji)礎抗性、生長(chang)和農藝(yi)性狀
共表達(da)感(gan)(gan)受(shou)型(xing)(xing)和輔助(zhu)型(xing)(xing)NLR免疫受(shou)體的(de)轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)水(shui)稻重要農(nong)藝性(xing)狀(zhuang)如株(zhu)(zhu)高、有效分(fen)蘗數、每穗粒(li)數、千(qian)粒(li)重無(wu)明顯(xian)(xian)差(cha)異；轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)水(shui)稻的(de)基(ji)(ji)(ji)礎抗性(xing)也(ye)不受(shou)影響（圖(tu)4）。并對轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)和WT水(shui)稻株(zhu)(zhu)系(xi)做(zuo)了qPCR，mRNA，WB相(xiang)關marker基(ji)(ji)(ji)因(yin)驗證，發現MAPK、ROS較(jiao)WT無(wu)顯(xian)(xian)著差(cha)異，說(shuo)明感(gan)(gan)受(shou)型(xing)(xing)和輔助(zhu)型(xing)(xing) NLRs的(de)聚合不引起免疫自激活(huo)（圖(tu)4S）。
圖4：ZH11與共表達Bs2和(he)(he)NRCs的轉基因系生長(chang)表型、農藝性(xing)狀(zhuang)和(he)(he)基礎(chu)免疫的比(bi)較
研究結論
本(ben)研究通(tong)過共轉移感受(shou)型(xing) NLR 和輔助型(xing) NLR，成功實現了在非茄科(ke)植(zhi)物中擴展免疫受(shou)體的(de)功能，使這些植(zhi)物能夠識別(bie)并響應原(yuan)本(ben)無法識別(bie)的(de)病原(yuan)菌效應子，從而增強了它們的(de)抗(kang)病能力(li)。
在(zai)煙草、大豆和(he)擬南芥中，共(gong)表(biao)(biao)(biao)達(da)(da)感受型 NLR 和(he)相應的輔(fu)助型NLR 可有(you)效識別特(te)定的病(bing)原菌效應子，并觸發免疫反應。特(te)別在(zai)水(shui)稻中，轉基(ji)(ji)因水(shui)稻共(gong)表(biao)(biao)(biao)達(da)(da) Bs2 和(he) NbNRC3 或 NbNRC4 時(shi)，對(dui) Xoc 表(biao)(biao)(biao)現出(chu)完全(quan)抗(kang)(kang)性(xing)(xing)，與 NbNRC2 共(gong)表(biao)(biao)(biao)達(da)(da)時(shi)表(biao)(biao)(biao)現出(chu)部分抗(kang)(kang)性(xing)(xing)，而單獨表(biao)(biao)(biao)達(da)(da) Bs2 或僅表(biao)(biao)(biao)達(da)(da) NbNRCs 的轉基(ji)(ji)因水(shui)稻則(ze)無抗(kang)(kang)性(xing)(xing)。此(ci)外，轉基(ji)(ji)因水(shui)稻在(zai)田間表(biao)(biao)(biao)現出(chu)與野生(sheng)型相似的生(sheng)長表(biao)(biao)(biao)型和(he)農(nong)藝性(xing)(xing)狀，且基(ji)(ji)礎抗(kang)(kang)性(xing)(xing)未(wei)受影響，表(biao)(biao)(biao)明共(gong)轉移策略不會對(dui)植物(wu)的正常生(sheng)長和(he)適應性(xing)(xing)產生(sheng)負面影響。同時(shi)，轉基(ji)(ji)因水(shui)稻在(zai)病(bing)原菌感染后(hou)能顯(xian)著上調防(fang)御相關基(ji)(ji)因的表(biao)(biao)(biao)達(da)(da)，進一步證明了(le)其抗(kang)(kang)病(bing)機制(zhi)的有(you)效性(xing)(xing)。
這一研(yan)究為植(zhi)物抗病(bing)(bing)育種提供了新(xin)的思(si)路和策略(lve)，有助(zhu)于(yu)利用已知的 NLR 資源來增強多(duo)種作物的抗病(bing)(bing)能力(li)。
原文鏈接：
//doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.028
