朱旺升团队揭示病原菌抑制植物中枢NLR免疫蛋白的分子机制和植物的防御策略

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植物识别并防御病原菌有两道屏障：第一道屏障是质膜上的PRR受体介导的PTI (Pattern Triggered Immunity)；第二道也是最后一道屏障，是由胞内免疫蛋白NLR介导的ETI （Effector Triggered Immunity）。病原菌往往分泌效应蛋白去抑制第一道防御屏障，而NLR蛋白则能通过识别效应蛋白激活最后一道屏障，其分子机制在过去二十多年中得到了系统和深入的研究。但是，病原菌能否和如何抑制植物免疫的最后一道屏障，是目前普遍关注的科学问题。如果病原菌能抑制植物免疫系统最后一道屏障，植物又如何做出反击呢？回答这些关键科学问题将帮助我们深入理解植物-病原菌互作的共进化关系。

2023年11月8日，中国农业大学植物保护学院朱旺升研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Host & Microbe上发表了题为“The plant immune receptor SNC1 monitors helper NLRs targeted by a bacterial effector”的研究论文。该研究发现丁香假单胞菌效应蛋白AvrPtoB可以直接攻击植物广泛存在的hNLR蛋白ADR1-L1和ADR1-L2，并诱导其蛋白降解；并揭示了植物应对该攻击的两大策略：一是通过同源基因AvrPtoB靶向位点的突变逃避攻击（ADR1），二是演化出感受性NLR蛋白SNC1监控ADR1-L1和ADR1-L2的状态。该研究揭示了病原效应蛋白攻击NLR蛋白的分子机制和植物的防御策略。

中国农业大学植保学院博士生王明玉、陈俊斌博士，马普生物研究所（图宾根）吴蕊博士和中国农业大学植保学院郭海龙教授为共同第一作者，中国农业大学植保学院朱旺升教授和英国赛恩斯伯里实验室黄健华博士为共同通讯作者。中国科学院植物所郭亚龙研究员、中国农业大学植保学院彭友良教授、英国赛恩斯伯里实验室Jonathan Jones教授和德国马普生物研究所Detlef Weigel教授参与了该工作。

植物通过免疫枢纽蛋白辅助性NLR（hNLR）接受来自不同的感受性NLR（sNLR）识别病原菌效应蛋白产生的信号并执行免疫应答；同时hNLR还参与PRR介导免疫信号的传递，因此hNLR在植物免疫应答中扮演着十分关键的作用。模式植物拟南芥编码了两类hNLR蛋白ADR1s和NRG1s，其中，ADR1s包含三个同源蛋白ADR1, ADR1-L1和ADR1-L2。研究人员利用Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) DC3000为模型，研究病原菌效应蛋白对拟南芥关键hNLRs蛋白的抑制作用，发现AvrPtoB特异性抑制激活态ADR1-L1（D489V）和ADR1（D484V）-L2触发的细胞死亡表型，并诱导其蛋白降解，但不能靶标降解同源蛋白ADR1。通过蛋白序列比对、嵌合体和点突变分析，发现AvrPtoB对 ADR1-L1/L2的特异性抑制依赖于其CCR结构域的两个关键氨基酸位点K34和K48。AvrPtoB具有E3泛素连接酶的活性，其通过对ADR1-L1 K34/K48位点进行泛素化标记，进而通过26S蛋白酶体降解ADR1-L1；而ADR1蛋白的这两个赖氨酸位点发生了变异（E35/R49），使其逃避了AvrPtoB的攻击。以上研究结果揭示了病原菌效应蛋白可以直接攻击免疫中枢蛋白hNLR，并发现宿主植物通过同源蛋白的趋异进化逃避病原菌攻击，称之为备份系统。

图1 病原菌效应蛋白AvrPtoB特异性靶标攻击ADR1-L1。

为了进一步探究在中枢免疫系统hNLR受到病原菌攻击时，植物是否存在其他防御策略，研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了adr1-L1的完全缺失突变体。发现adr1-L1突变体植株表现矮小、叶片皱缩和免疫标志基因高表达的典型自免疫表型，并显著增强对丁香假单胞菌Pst DC3000抗性，表明adr1-L1突变体处于免疫自激活状态。随后，遗传分析鉴定到感受性NLR蛋白SNC1的缺失可以完全抑制adr1-L1突变体的自免疫表型，提示SNC1可能参与监控ADR1-L1蛋白的完整性。生物化学分析表明ADR1-L1的缺失可以激活SNC1，促进SNC1多聚物的形成，并通过下游ADR1传递免疫信号，支持了SNC1监控ADR1-L1的科学假设。最后，研究人员探究了SNC1识别病原菌效应蛋白AvrPtoB的分子机制，发现snc1-11突变体的感病表型依赖于病原菌是否编码AvrPtoB；而SNC1存在时，则可以通过监控AvrPtoB诱导的ADR1-L1和ADR1-L2的降解进而激活免疫反应。以上研究结果表明SNC1可以通过监控ADR1-L1/L2识别AvrPtoB并介导下游抗病应答，称之为监控系统。

图2 AvrPtoB对ADR1-L1的降解激活SNC1介导的免疫反应。

该工作揭示了病原菌抑制NLR免疫蛋白的分子机制和植物的攻防策略，并诠释了寻找了20年之久的NLR蛋白SNC1的生物学功能，为理解植物和病原菌互作提供了新见解。迄今为止，发现植物存在不同辅助性NLR蛋白，其中ZAR1兼备感受型和辅助型两种功能，NRCs为茄科植物特有，NRG1s主要存在于双子叶植物，而ADR1s同源蛋白在多种作物中广泛存在，因此，该工作为人工改造作物辅助性NLR和鉴定其监控基因提供了理论基础，并为抗病作物分子设计提供了新的研究思路。

图3 工作模型。

该研究得到了中国农业大学2115人才发展计划（2020RC013）、国家重点研发计划（No 2022YFD1201802）和教育部111引智基地（B13006）的支持。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请朱旺升教授和黄健华博士代表研究团队接受了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

你们的工作对NLR生物学研究有什么影响？

黄健华博士：

拟南芥作为最广泛使用的模式植物，是我们理解植物分子机制的敲门砖。在对拟南芥抗病相关突变体的研究中，一个有趣但让人困惑的现象是：多个不同基因家族的基因突变体导致的自免疫表型一定程度上依赖于感受型NLR蛋白SNC1。我们的工作诠释了SNC1监控免疫枢纽蛋白ADR1s的分子机制，基于此，我们推测植物细胞内对SNC1和ADR1互作的干扰有可能会激活SNC1，因此，那些自免疫依赖于SNC1的突变体，其失去功能的蛋白可能：1）是SNC1的负调控因子；2）破坏SNC1跟ADR1s的互作继而激活SNC1。因此，对这些蛋白的进一步研究将推进我们对NLR蛋白调控和对免疫信号通路的破译。

CellPress：

你们的研究有哪些重要的意义？

朱旺升教授：

研究病原菌攻击宿主植物的分子机制和宿主植物的防御机制是创制抗病作物新品种的重要基础工作。病原菌和植物的军备竞赛中，病原菌必定会靶标免疫系统的中枢机构，因为这样的攻击理论上是最为高效的。该研究首先证实了病原菌可以靶标植物免疫系统的枢纽节点进而抑制植物先天免疫。而植物和病原物长期共进化的现象告诉我们植物必然会采取一系列策略进行防御。研究团队另辟蹊径，通过研究目标蛋白的趋异进化，发现植物免疫中枢蛋白可以通过被攻击位点的变异逃避病原菌攻击，称之为植物防御反应的备份系统。同时，进一步研究还发现植物演化出能够感受和监控病原菌中枢机构状态的蛋白组分，称之为监控系统。该研究不但表明植物为了维持先天免疫中枢系统的稳定性和完整性，演化出双保险防御系统，也揭示了寻找了20年之久的NLR蛋白SNC1的生物学功能。我们的研究回答了NLR生物学研究中科学家普遍关注的问题：病原菌抑制NLR免疫蛋白的分子机制和植物的攻防策略，为人工改造作物先天免疫中枢系统和寻找作物关键监控基因提供了理论基础，并为抗病作物分子设计提供了新的研究思路。

作者介绍

朱旺升

教授

朱旺升，中国农业大学植物保护学院教授、博士生导师。2005年本科毕业于华中农业大学，2008年硕士毕业于东华大学，2008~2010年期间任北京冷泉港生物科技有限公司小动物活体成像技术专家，2014年在澳大利蒙纳士大学获得博士学位，2019年9月在德国马普生物学研究所（图宾根）博士后出站，同年10月以“杰出人才”引进入职中国农业大学，组建植物抗病分子遗传实验室。现任植物生物安全系主任，院学术委员会和学位委员会委员，第十二届中国植物病理学会理事和副秘书长，农业农村部作物检疫性有害生物监测与防控重点实验室学术委员会委员，Frontiers in Plant Science编委。研究方向为植物抗病遗传，主要研究植物响应环境因子和生物胁迫的遗传基础，发现了一类调控植物先天免疫的受小肽调控的新型钙通道，并揭示了病原菌靶标植物免疫中枢的分子机制和植物演化的攻防策略。近年来，致力于玉米真菌病害抗性基因挖掘和利用，并开展玉米真菌病害禾谷镰孢菌致病机制研究。以第一作者或通讯作者（含共同）在Cell Host & Microbe, Genome Biology, Plant Physiology和PLoS Genetics等国际重要学术期刊上发表多篇研究论文，获批发明专利1项。（实验室网页：https://www.labxing.com/zhulab）。

朱旺升教授（左一）：中国农业大学植物保护学院教授，植物生物安全系主任，院学术委员会和学位委员会委员，第十二届中国植物病理学会理事和副秘书长，主要从事植物-微生物互作和玉米抗病分子遗传研究。

王明玉（中间）和陈俊斌（右一）为中国农业大学植物保护学院博士研究生和博士后。

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