Plant Com | 植物免疫受體：從“大海撈針”到“高通量鑒定”和“精準設計”

面對無處不在的病菌侵襲，植物擁有一套精密的防御機制。在植物細胞表面，分布著一類被稱為模式識別受體（pattern recognition receptors, PRRs）的蛋白質。當細菌、真菌或病毒等病原體入侵時，PRRs能夠精準識別其特有的分子標志——即病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP），從而迅速啟動警報，激活植物的第一道免疫防線PTI（PAMP-triggered immunity）反應。PRR主要分為兩大類：受體激酶（receptor-like kinases，RLKs）和受體蛋白（receptor-like proteins，RLPs）。其中，富含亮氨酸重復序列的RLKs（leucine-rich repeat-like kinases，LRR-RLKs）構成了規(guī)模最龐大的家族之一。而在這個家族內部，XII亞組（LRR-RLK-XIIs）堪稱一支“精英小隊”，專門負責識別PAMP，是植物免疫響應中的核心力量。迄今，鑒定到的LRR-RLK-XII成員中，成功匹配的“受體—配體”組合仍不足十對。這一困境主要源于傳統(tǒng)研究方法的效率限制，尤其在非模式植物中，分離與鑒定這類受體如同大海撈針。更嚴峻的挑戰(zhàn)在于，適用于模式植物（如擬南芥）的遺傳學手段難以推廣至樹木或多年生作物等非模式物種，導致大量非模式物種中的免疫受體及其功能仍處于未知狀態(tài)，嚴重制約了通過跨物種基因轉移培育抗病作種的進程。

近日，Plant Communications發(fā)表了由中國熱帶農業(yè)科學院甘蔗研究中心主任闕友雄研究員與美國南卡羅來納大學傅正擎教授團隊共同撰寫的評述文章，題為

Innovative strategies for high-throughput discovery and engineering of plant immune receptors

Systematic discovery and engineering of synthetic immune receptors in plants

Ngou團隊的研究路徑實現(xiàn)了從“大海撈針”到“高效篩選”的跨越。他們分析了285種植物基因組中的13,185個LRR-RLK-XII蛋白，并采用“重復序列保守性映射（repeat conservation mapping，RCM）”技術進行智能聚類，聚焦于受體關鍵結構域的變化，將4,177個代表性LRR-RLK-XII劃分為210個集群，繪制出一幅宏大的免疫“哨兵”圖譜。為了鑒定候選LRR-RLK-XII的功能，研究人員巧妙地將候選受體的胞外識別域與已知受體激酶BRI1（Brassinosteroid insensitive 1）的胞內信號域融合，構建嵌合受體。通過監(jiān)測關鍵信號分子BES1（BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1）的去磷酸化反應，實現(xiàn)對病原菌激活受體的快速篩選。在這套高效系統(tǒng)中，一個來自柚子的“受體181”表現(xiàn)突出，能夠響應多種細菌提取物。進一步研究揭示，該受體識別的正是病原菌體內的冷休克蛋白CSP，特別是其csp15片段（圖1A）。因此，研究人員將其命名為“SCORE”（selective cold shock protein receptor）。

圖1 LRR-RLK植物免疫受體的大規(guī)模篩選與工程化

SCORE與早前發(fā)現(xiàn)的CORE受體識別同類配體的方式不同，二者對csp15肽段變異體的識別特異性存在顯著差異。通過將SCORE的胞外域與延伸因子受體EFR（elongation factor receptor）的胞內結構域結合，形成20個嵌合體，同時與103個csp15多肽進行組合篩選。結果表明，SCORE與csp15的識別主要分為3大類（圖1B）。此外，借助AlphaFold2/3模型，團隊解析了SCORE與csp15結合的三維結構，發(fā)現(xiàn)其識別配體的關鍵決定位點位于第10個LRR基序中的三個可變氨基酸殘基。這些殘基通過調控受體表面的電荷分布，精確影響其與不同csp15變異體的結合，從而決定識別特異性。掌握該“密碼”后，研究人員對SCORE進行設計，成功創(chuàng)造出能夠識別多種重要病原體（如引起柑橘黃龍病的致病菌、根結線蟲等）csp15肽段的人工SCORE受體變體。曾經得以“瞞天過海”的病原體，如今在這些經過改造的SCORE受體面前無所遁形。這項研究不僅建立了一套從發(fā)現(xiàn)、解析到定向改造植物免疫受體的完整創(chuàng)新策略，更標志著我們從“理解自然免疫”邁入了“設計與再造免疫”的新紀元，為全球作物病害的綠色防控與糧食安全生產開辟了廣闊前景。

熱帶作物生物育種全國重點實驗室/中國熱帶農業(yè)科學院甘蔗研究中心/熱帶生物技術研究所/三亞研究院闕友雄研究員和美國南卡羅來納大學生物科學系傅正擎教授為該論文共同通訊作者；中國熱帶農業(yè)科學院甘蔗研究中心趙婉瑩助理研究員為第一作者，孫婷婷副研究員、張媛媛助理研究員為共同作者。該評述文章得到了美國國家自然科學基金、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費的資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx2508

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101585