Trends Plant Sci |?植物免疫招數多：NLR基因“雙打”抗病顯奇效

植物在其整個生命周期和演化過程中，面臨各種病原體的持續威脅。為了應對這些威脅，植物演化出了多種多樣的抗病基因。其中，由核苷酸結合-富含亮氨酸重復受體（NLR）介導的免疫反應是抵御病原菌的關鍵防線。有的NLR蛋白獨自（以singleton模式）就能識別病原并激活抗病，有的NLR蛋白則需要兩兩組隊（以pair模式）“雙打”發揮功能其負責識別病原菌效應因子的稱為“感應NLR”（Sensor），負責激活免疫反應的稱為“輔助NLR”（Helper）。近期在小麥中的幾項研究中新發現了多對以“雙打”形式發揮功能的NLR pair，與此同時，另一項研究發現NLR pair跨越遠緣物種也能夠發揮抗病功能。那么，這些新發現的NLR pair與經典的NLR pair有些什么異同呢， NLR pair的不同特征在植物的演化過程中有什么意義呢，對于農業生產又有什么指導價值呢？

近日，南京大學研究團隊在Trends in Plant Science上發表了題為The expanding world of plant NLR pairs的評述文章，深入解讀了同期3篇發表于Nature Genetics關于新NLR pair的發現以及一篇發表于Cell關于功能“NLR pair”跨物種應用的突破性研究。系統評述了小麥中新發現的NLR pair在結構、功能以及演化上與擬南芥和水稻中經典NLR pair的區別，并從生產實踐上對NLR pair跨物種發揮功能的研究進行了展望。該評述文章被收錄在Trends in Plant Science 30周年紀念刊的“塑造植物科學未來的重大概念”專輯中。

現有研究表明，NLR pair中的Sensor通常攜帶一個用于感知效應因子的融合結構域（integrated domain，簡稱ID），而Helper則發揮下游免疫信號激活作用。在擬南芥RRS1/RPS4和水稻RGA5/RGA4中，Sensor通過ID直接或間接識別效應因子后，會釋放對Helper的抑制，從而激活免疫信號。而在水稻Pik-1/Pik-2和擬南芥CHS3/CSA1中，需要Sensor與Helper協同才能實現抗病功能（Figure 1 A），雖然早在20多年前就有關于NLR pair的報道，但至今經過功能驗證的案例仍然十分有限。

NLR“雙打”新組合：結構域的簡化讓功能“不死反生”

近期，Klymiuk等人和Hu等人分別獨立克隆了野生二粒小麥條銹病抗性基因座Yr84（亦稱YrTD121）中的候選基因，發現是一對NLR pair，該NLR pair編碼一個結構域完整、沒有ID的CNL蛋白（Yr84-CNL/TdNLR1）和一個缺失了氨基端結構域的NL蛋白（Yr84-NL/TdNLR2）（Figure 1 A），其中Yr84-NL被認為發揮Helper的功能，而Yr84-CNL為Sensor。有意思的是，這對pair中的不僅Sensor沒有ID，Helper中也缺乏氨基端結構域。NLR蛋白的氨基端結構域（如CC或TIR）對形成抗病小體、發揮抗病能力至關重要，因此缺失氨基端的Yr84-NL如何激活免疫成為一個引人關注的問題：它是否通過演化獲得了新的功能機制以彌補缺失氨基端結構域可能導致的抗病激活功能喪失？這一現象表明NLR基因的截短并非演化的“死胡同”，而可能是一種演化的“新生”。

NLR“雙打”新范式：“頭對頭”不必須

早期研究發現的NLR pair中的兩個基因，在染色體上都以“頭對頭”的方式排列。Hu等人發現，盡管Yr84基因座內的NLR基因呈頭對頭排列，但將Yr84 NLR pair中的兩個基因以隨機方向插入感病小麥品種后，仍能賦予抗性。這表明“頭對頭”并非NLR pair發揮功能的必要條件，而是表明這兩個基因很有可能是從祖先NLR基因串聯復制而來，并且在病原體的選擇壓力下協同演化。類似現象正在Zhu等人的研究中同樣被發現，他們在野生二粒小麥中鑒定出MlIW170/PM26白粉病抗性基因座的兩個NLR基因TdCNL1和TdCNL5。它們不僅轉錄方向相同，中間還隔著另外三個NLR基因，并不是“頭對頭”排列（Figure 1 A）。Yr84和MLIW170/PM26的研究結果表明小麥中成對的NLR是通過不同的基因復制事件和結構域融合事件獨立演化產生，在共同的病原選擇壓下協同演化，最終趨同于相似的“雙打”抗病方式。

NLR“雙打”新賽場：突破跨物種應用極限

小麥中的上述NLR Pair即使不在“頭對頭”的情況下，仍可通過轉基因至易感品種以賦予抗性。那么：這些NLR pair模塊有沒有可能跨遠緣物種轉移并賦予植物抗病功能呢？近期發表的另一項研究回答了這一問題。Du等人將衍生自一對古老的NLR pair的Sensor和Helper——辣椒中的Bs2基因（Sensor）與煙草中的NRC2/3/4基因（Helpers）共同轉入了非茄科的雙子葉植物，甚至是單子葉作物水稻中（Figure 1 B）。令人振奮地發現，轉基因水稻能夠識別Bs2對應的細菌效應因子并觸發免疫反應，在大田環境下對水稻細菌性條斑病表現出強抗性，并且不影響產量。這一實驗證明了親緣關系非常遠的物種仍可通過功能性“NLR pair”的移植共享抗病能力，這為作物分子育種提供了全新的工具和思路。

綜上，這些發現拓展了植物免疫領域中NLR pair的新天地，展現了此類NLR組合在染色體排列、結構域構成和功能機制方面的高度靈活性，也為利用和設計NLR pair來實現作物抗病提供了絕佳范例。與此同時，新的發現也引出了一些新的科學問題。例如：缺失氨基端結構域的Helper NLR如何激活免疫？是否存在其他尚未鑒定的互作因子或全新的信號傳導途徑來介導這類特殊Helper的功能？再者，跨物種部署功能性“NLR pair”的策略能否推廣到更多的NLR pair和更多的植物物種？（Figure 1 C）這些問題的解答將進一步深化我們對植物免疫功能機制和NLR基因演化的理解，并指導未來的作物抗病育種策略。

南京大學生命科學學院邵珠卿教授和陳建群教授為該論文的通訊作者，博士生桑程巍和江蘇省中國科學院植物研究所張艷梅副研究員為論文的第一作者，博士生李賽熙參與了該研究。該研究得到國家自然科學基金項目資助。

論文鏈接：

https://authors.elsevier.com/a/1m4ur_UxGnNE5H

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2025.10.023