科學(xué)家揭示植物“免疫哨兵”變身新機(jī)制 | 科技前線

植物的免疫系統(tǒng)有多厲害？一個關(guān)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(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所從主糧作物小麥中發(fā)現(xiàn)了一種全新的、更龐大的八聚體NLR抗病小體結(jié)構(gòu)，為我們理解植物免疫的多樣性打開了新視角。

01

意外獲得“自身免疫”小麥

植物擁有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)。核苷酸結(jié)合富亮氨酸重復(fù)序列（NLR）的抗病蛋白，就是植物免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵“哨兵”之一。當(dāng)病菌入侵時，NLR能迅速發(fā)現(xiàn)并識別病原菌釋放的信號分子，組裝成大型蛋白質(zhì)復(fù)合物形式的“作戰(zhàn)小組”，被稱為“抗病小體”。

此前，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出一個奇特的現(xiàn)象：在沒有病菌侵染的情況下，植物的免疫反應(yīng)始終在激活狀態(tài)。

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

研究人員發(fā)現(xiàn)，M3405自發(fā)免疫表型的關(guān)鍵基因WAI3，發(fā)生了單氨基酸突變（WAI3GOF）。該突變相當(dāng)于免疫反應(yīng)開關(guān)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(xù)產(chǎn)生免疫反應(yīng)

02

八聚體“漏斗”

全新的抗病小體隊形

為探究WAI3的激活機(jī)制，研究人員解析了激活后WAI3寡聚復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。

結(jié)果顯示，激活態(tài)WAI3組裝為八聚體抗病小體，整體呈環(huán)狀“漏斗”結(jié)構(gòu)，直徑約200 ?、高約135 ?。

該研究在解析小麥WAI3抗病小體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，也對擬南芥中的同源蛋白RPS2抗病小體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)制在單子葉和雙子葉植物中高度保守，小麥WAI3抗病小體結(jié)構(gòu)成為研究擬南芥RPS2蛋白作用機(jī)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

03

鈣離子內(nèi)流

免疫信號的“主開關(guān)”

這個奇特的八聚體結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)WAI3GOF誘導(dǎo)的胞質(zhì)鈣離子內(nèi)流呈現(xiàn)更強(qiáng)且持續(xù)時間更長的多相動態(tài)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(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、免疫能力更強(qiáng)有關(guān)。

由于鈣離子是細(xì)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(fā)下游一系列防御基因的表達(dá)。這說明WAI3GOF形成鈣離子（Ca2+）通道引發(fā)胞質(zhì)鈣離子內(nèi)流，從而激活免疫反應(yīng)。

▲WAI3激活后引發(fā)鈣離子內(nèi)流

研究發(fā)現(xiàn)了CCG10-NLR抗病小體形成八聚體結(jié)構(gòu)，并作為鈣離子通道發(fā)揮作用，為確立Ca2+信號作為多種NLR介導(dǎo)免疫過程中關(guān)鍵第二信使、成為NLR激活的共同匯聚點提供了重要新證據(jù)，拓寬了人們對植物免疫“武器庫”的認(rèn)知。

具有自發(fā)免疫特性的NLR抗病蛋白WAI3的發(fā)現(xiàn)，為未來的人工智能輔助設(shè)計、定向改造或從頭設(shè)計具有廣譜、持久抗病能力的新型“免疫蛋白”，提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)藍(lán)圖與理論依據(jù)。

來源：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

責(zé)任編輯：宋同舟