科學家揭示植物“免疫哨兵”變身新機制 | 科技前線

植物的免疫系統有多厲害？一個關鍵“哨兵”的變身，或許能帶來抗病育種的全新思路。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所從主糧作物小麥中發現了一種全新的、更龐大的八聚體NLR抗病小體結構，為我們理解植物免疫的多樣性打開了新視角。

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意外獲得“自身免疫”小麥

植物擁有復雜的免疫系統。核苷酸結合富亮氨酸重復序列（NLR）的抗病蛋白，就是植物免疫系統的關鍵“哨兵”之一。當病菌入侵時，NLR能迅速發現并識別病原菌釋放的信號分子，組裝成大型蛋白質復合物形式的“作戰小組”，被稱為“抗病小體”。

此前，科學家已發現植物NLR抗病蛋白能組裝成四聚體、五聚體或六聚體的抗病小體。

研究人員在田間篩選到小麥品系“中科331”的突變體M3405。它表現出一個奇特的現象：在沒有病菌侵染的情況下，植物的免疫反應始終在激活狀態。

通常情況下，NLR蛋白的“變身啟動”需要一個精巧的“開關”，平時處于關閉狀態，只有在感知到病原菌侵染信號后才會開啟。

研究人員發現，M3405自發免疫表型的關鍵基因WAI3，發生了單氨基酸突變（WAI3GOF）。該突變相當于免疫反應開關一直卡在了“開啟”位置，讓該基因能夠編碼合成CCG10-NLR類型抗病蛋白。

▲M3405突變體持續產生免疫反應

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八聚體“漏斗”

全新的抗病小體隊形

為探究WAI3的激活機制，研究人員解析了激活后WAI3寡聚復合物的高分辨率三維結構。

結果顯示，激活態WAI3組裝為八聚體抗病小體，整體呈環狀“漏斗”結構，直徑約200 ?、高約135 ?。

該研究在解析小麥WAI3抗病小體結構的基礎上，也對擬南芥中的同源蛋白RPS2抗病小體結構進行了解析，證明激活后的RPS2同樣形成類似的八聚體抗病小體，表明CCG10-NLR類型抗病蛋白的作用機制在單子葉和雙子葉植物中高度保守，小麥WAI3抗病小體結構成為研究擬南芥RPS2蛋白作用機制的重要參考。

▲CCG10-NLR類型免疫受體WAI3和RPS2均形成八聚體抗病小體

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鈣離子內流

免疫信號的“主開關”

這個奇特的八聚體結構究竟如何傳遞免疫信號？

研究人員將WAI3GOF與NRC4DV六聚體抗病小體相比，發現WAI3GOF誘導的胞質鈣離子內流呈現更強且持續時間更長的多相動態變化。這可能與八聚體抗病小體所形成的離子通道孔徑更大、結構更穩定、免疫能力更強有關。

由于鈣離子是細胞中一種極其重要的“第二信使”，其濃度劇烈波動，會像多米諾骨牌一樣，觸發下游一系列防御基因的表達。這說明WAI3GOF形成鈣離子（Ca2+）通道引發胞質鈣離子內流，從而激活免疫反應。

▲WAI3激活后引發鈣離子內流

研究發現了CCG10-NLR抗病小體形成八聚體結構，并作為鈣離子通道發揮作用，為確立Ca2+信號作為多種NLR介導免疫過程中關鍵第二信使、成為NLR激活的共同匯聚點提供了重要新證據，拓寬了人們對植物免疫“武器庫”的認知。

具有自發免疫特性的NLR抗病蛋白WAI3的發現，為未來的人工智能輔助設計、定向改造或從頭設計具有廣譜、持久抗病能力的新型“免疫蛋白”，提供了關鍵的結構藍圖與理論依據。

來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所

責任編輯：宋同舟