面對(duì)無(wú)處不在的病菌侵襲，植物擁有一套精密的防御機(jī)制。在植物細(xì)胞表面，分布著一類被稱為模式識(shí)別受體（pattern recognition receptors, PRRs）的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)菌、真菌或病毒等病原體入侵時(shí)，PRRs能夠精準(zhǔn)識(shí)別其特有的分子標(biāo)志——即病原體相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP），從而迅速啟動(dòng)警報(bào)，激活植物的第一道免疫防線PTI（PAMP-triggered immunity）反應(yīng)。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(fù)序列的RLKs（leucine-rich repeat-like kinases，LRR-RLKs）構(gòu)成了規(guī)模最龐大的家族之一。而在這個(gè)家族內(nèi)部，XII亞組（LRR-RLK-XIIs）堪稱一支“精英小隊(duì)”，專門(mén)負(fù)責(zé)識(shí)別PAMP，是植物免疫響應(yīng)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(duì)。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(yán)峻的挑戰(zhàn)在于，適用于模式植物（如擬南芥）的遺傳學(xué)手段難以推廣至樹(shù)木或多年生作物等非模式物種，導(dǎo)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(yán)重制約了通過(guò)跨物種基因轉(zhuǎn)移培育抗病作種的進(jìn)程。

近日，Plant Communications發(fā)表了由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心主任闕友雄研究員與美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)傅正擎教授團(tuán)隊(duì)共同撰寫(xiě)的評(píng)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(tuán)隊(duì)的研究路徑實(shí)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(gè)LRR-RLK-XII蛋白，并采用“重復(fù)序列保守性映射（repeat conservation mapping，RCM）”技術(shù)進(jìn)行智能聚類，聚焦于受體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域的變化，將4,177個(gè)代表性LRR-RLK-XII劃分為210個(gè)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(shí)別域與已知受體激酶BRI1（Brassinosteroid insensitive 1）的胞內(nèi)信號(hào)域融合，構(gòu)建嵌合受體。通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵信號(hào)分子BES1（BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1）的去磷酸化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病原菌激活受體的快速篩選。在這套高效系統(tǒng)中，一個(gè)來(lái)自柚子的“受體181”表現(xiàn)突出，能夠響應(yīng)多種細(xì)菌提取物。進(jìn)一步研究揭示，該受體識(shí)別的正是病原菌體內(nèi)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(shí)別同類配體的方式不同，二者對(duì)csp15肽段變異體的識(shí)別特異性存在顯著差異。通過(guò)將SCORE的胞外域與延伸因子受體EFR（elongation factor receptor）的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合，形成20個(gè)嵌合體，同時(shí)與103個(gè)csp15多肽進(jìn)行組合篩選。結(jié)果表明，SCORE與csp15的識(shí)別主要分為3大類（圖1B）。此外，借助AlphaFold2/3模型，團(tuán)隊(duì)解析了SCORE與csp15結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其識(shí)別配體的關(guān)鍵決定位點(diǎn)位于第10個(gè)LRR基序中的三個(gè)可變氨基酸殘基。這些殘基通過(guò)調(diào)控受體表面的電荷分布，精確影響其與不同csp15變異體的結(jié)合，從而決定識(shí)別特異性。掌握該“密碼”后，研究人員對(duì)SCORE進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功創(chuàng)造出能夠識(shí)別多種重要病原體（如引起柑橘黃龍病的致病菌、根結(jié)線蟲(chóng)等）csp15肽段的人工SCORE受體變體。曾經(jīng)得以“瞞天過(guò)海”的病原體，如今在這些經(jīng)過(guò)改造的SCORE受體面前無(wú)所遁形。這項(xiàng)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(biāo)志著我們從“理解自然免疫”邁入了“設(shè)計(jì)與再造免疫”的新紀(jì)元，為全球作物病害的綠色防控與糧食安全生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊前景。

熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/熱帶生物技術(shù)研究所/三亞研究院闕友雄研究員和美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)生物科學(xué)系傅正擎教授為該論文共同通訊作者；中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)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(píng)述文章得到了美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目和中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)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