“哨兵”兼“戰士”：植物細胞膜上的守護者

　　植物大戰病原菌的“軍備競賽”中，細胞膜識別受體作為監控病原菌入侵的“前哨”，能夠激活植物體內多層次的防衛系統，產生對病原菌的抗性。自1994年在國際上被首次鑒定以來，它作為抗病受體一直是科學家關注的焦點。然而近30年來，人們對其如何被激活、發揮抗性的作用機制并不了解。

　　9月21日，清華大學教授柴繼杰團隊和南京農業大學教授王源超團隊合作在《自然》上發表研究論文，解析了細胞膜受體蛋白RXEG1識別病原菌核心致病因子XEG1，從而激活植物免疫的作用機制，首次揭示了細胞膜受體蛋白具有“免疫識別受體”和“抑制子”的雙重功能。

　　論文審稿人指出，“這是植物免疫領域的一項開創性工作（ground breaking），非常令人興奮的發現”。這為人類認識復雜精密的植物與病原菌互作機制提供了新的認知，對改良作物廣譜、持久抗病性具有重要指導意義，同時為開發綠色新型生物農藥奠定核心理論基礎。

　　如何找到病原菌的“要害”

　　在與病原菌的長期斗爭中，植物進化出精細、復雜的免疫系統，通過識別病原菌的侵染從而激活植物抗性，保護自身免受侵害。在肉眼不可見的微觀世界，植物與病原菌之間到底上演著怎樣復雜而精密的“軍備競賽”？

　　論文共同通訊作者王源超告訴《中國科學報》，植物細胞膜上的免疫識別受體是一大類蛋白質，自從1994年發現，其成員逐漸增多，已經達到數百個。各國科學家努力探索這類受體究竟是如何激活下游免疫機制的，但一直沒有搞清楚。

　　重大作物疫病的成災機制是王源超帶領的作物免疫團隊長期關注的重點。他們的研究一直圍繞疫霉菌“攻擊”和植物“抵抗”的過程來開展，而這被認為是一塊難啃的骨頭。

　　知己知彼、百戰不殆，團隊成員們認為，正確識別敵軍，是植物大戰病原菌的第一步。王源超作了一個生動的比喻：“一個人頭發可以隨時剪掉，但鼻子嘴巴的形狀是很難改變的。我們要找的就是病原菌的鼻子嘴巴。”

　　他解釋說，傳統的作物抗病基因抗性喪失是由于病原菌性狀變異——就好像病原菌換了個發型，抗病基因不認識了。然而，“換發型”對病原菌而言并沒有發生本質上的變化——鼻子嘴巴沒有變。所以，識別出病原菌的關鍵的穩定的特征因子，即通常所說的保守因子，開發出相應的抗病基因，才能避免因為“換發型”而認不出病原菌。

　　2006年，國際上完成了疫霉菌基因組測序。王源超意識到，可以從疫霉菌基因組入手，順藤摸瓜，找到疫霉菌的“鼻子嘴巴”，研究它用什么樣的“武器”如何向植物展開攻擊。

　　2015年，該團隊首次發現大豆疫霉菌在侵染大豆過程中分泌的糖基水解酶XEG1，可通過降解細胞壁破壞植物的抗病性。

　　而且，XEG1正是不同病原菌中普遍存在的、不易改變的關鍵因子，即病原菌的“鼻子嘴巴”。這樣一下子抓住了病原菌的“要害”。

　　他們隨后的研究揭開了XEG1的神秘面紗。

　　原來，植物通過分泌抑制子蛋白GIP1，與XEG1結合并抑制其酶活性，從而達到干擾XEG1的作用。不過，GIP1并沒有讓植物一招制勝。

　　反而是疫霉菌在漫長的進化過程中變異出XEG1的酶活喪失突變體XLP1，并把它作為“分子誘餌”，競爭性地與GIP1結合，聲東擊西，從而保護核心致病因子XEG1免受植物GIP1的攻擊。這一病原菌的致病新機制被該團隊稱為“誘餌模式”。

　　大戰并沒有偃旗息鼓。寄主植物大豆演化出天冬氨酸蛋白酶GmAP5降解XEG1的抗病機制，而疫霉菌通過N-糖基化修飾來保護XEG1免受攻擊。

　　“這進一步說明XEG1是疫霉菌核心致病因子，病菌需要對其采用多重方式進行保護。”王源超認為。

　　發現病原菌入侵的“前哨”

　　既然XEG1是病原菌的“要害”，與之共存并斗爭了上萬年的寄主植物大豆又怎能沒有對策呢？

　　2018年，王源超團隊發現了植物細胞膜上的識別受體RXEG1，原來這就是植物發現XEG1入侵的“前哨”。

　　“當時我們就想得到識別受體RXEG1的三維結構，進而搞清楚下游免疫機制是如何被激活的。”王源超說，要找最好的團隊合作。

　　當柴繼杰團隊收到王源超伸來的橄欖枝時，并沒有十足的信心做出RXEG1的蛋白結構。因為此前和國外團隊合作的此類細胞膜受體蛋白結構解析，都沒有太好的進展。

　　不過這一次，RXEG1的結構得到了成功解析。柴繼杰認為受體的“生化特性做的特別靠譜和扎實”，二者結合的活性非常靈敏，并且兩個蛋白足夠大，能夠表達出來，都是這次成功的關鍵原因。

　　合作團隊利用晶體衍射和冷凍電子顯微鏡技術解析了識別受體RXEG1的“靜息態”、二者結合的“中間態”和“激活態”等多種不同狀態的結構。

　　通過多種生化和功能分析，明確了XEG1作為配體結合RXEG1胞外結構域，誘導RXEG1島區發生構象改變。

　　“XEG1就像一把鑰匙，當RXEG1這把鎖被鑰匙打開時，誘導RXEG1的構象發生改變，從而促進RXEG1與共受體蛋白激酶BAK1的異源二聚化，激活植物免疫信號。”論文共同第一作者、南京農大副教授王燕介紹，XEG1不直接參與RXEG1與共受體蛋白激酶BAK1的互作，而是通過別構效應促使RXEG1與BAK1互作，從而激活植物抗性。

　　這就是細胞膜受體蛋白RXEG1發揮“免疫識別受體”功能的具體機制。這也是第一次從原子水平解析了植物免疫類受體蛋白激活機制，大大推進了人們對植物免疫機制的認識。

　　第二重身份“戰士”

　　進一步的研究給科學家帶來了意外的驚喜。

　　RXEG1不僅僅是吹響防御號角的哨兵，還打響了阻擊病原菌入侵的第一槍。

　　原來，識別受體RXEG1結合在XEG1的酶活性口袋，并借此抑制了XEG1的糖基水解酶活性，從而降低疫霉菌的致病性。RXEG1能夠發揮作為“抑制子”的第二重功能。

　　“病原菌侵染過程中分泌的XEG1通過糖基水解酶活性破壞植物抗性。RXEG1就像一把大鉗子，把XEG1對植物的破壞能力牢牢鎖住。”王燕說。

　　王源超說，XEG1是在細菌、真菌和卵菌等多種病原菌中廣泛存在的一類保守的糖基水解酶，可被煙草、大豆、番茄等多種植物識別誘導免疫反應。例如，水稻稻瘟病、小麥赤霉病、銹病等，其病原菌都可通過XEG1攻擊宿主植物。因此，該研究突破對于改良作物廣譜、持久抗病性具有重要指導意義，同時為開發綠色新型生物農藥奠定核心理論基礎。

　　“這是首次發現了受體蛋白具有免疫識別和抑制子的雙重功能。”王源超說。

　　細胞膜受體蛋白RXEG1激活機理的解析為未來改良作物廣譜抗病性提供了重要的線索。對這一過程的深入了解，也是全面認識作物病害成災機制和植物免疫形成機制的基礎，不但對改良作物廣譜、持久抗病性具有重要指導意義, 也為未來開發綠色新型生物農藥奠定核心理論基礎。

　　“通過人工智能的方法與手段，未來在大量化合物中篩選具有靶向性的XEG1抑制劑，以及靶向RXEG1的植物免疫激活劑，都將成為可能。”王源超說。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員周儉民認為，這項工作揭示了植物免疫的新范式，為更好的利用和改造抗病基因、服務綠色農業鋪平了道路。

　　中國工程院院士康振生說，從鑒定疫霉菌核心致病因子XEG1到挖掘免疫識別受體RXEG1，到破解類受體蛋白免疫激活機制，這一系列原創性研究的突破，形成了植物與微生物互作領域的經典范例，對改良植物的廣譜抗病性具有重要價值。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05214-x