PLOS PATHOGENS | 约翰英纳斯中心揭示水稻免疫受体等位基因广谱识别稻瘟病菌效应因子的机制！

植物病原体不断进化以克服免疫防御，并成功地定殖于宿主中，从而导致一些最具破坏性的病害影响了全球粮食生产。为了保护自己，植物进化出一套复杂的免疫系统，该系统可以识别不同病原体的存在并触发免疫反应以阻止其扩散（Nature Reviews Immunology | 重磅！Paul Schulze-Lefert综述NLR介导的植物免疫！Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！）。植物免疫受体如何实现对特定病原体菌株的扩展识别，并且这种识别的分子细节才刚刚开始被理解。

军备竞赛的共同进化推动了病原体及其宿主免疫系统的快速适应性变化（PLOS PATHOGENS | 宿主-病原菌军备竞赛的升级：宿主抗性反应与细菌毒力反应增强相对应！）。植物细胞内NLR免疫受体检测由病原体传递的效应因子，以促进易感性，激活阻止定殖的免疫反应（Science | 清华大学和马普所重磅研究！植物免疫受体：一个巴掌拍不响！Science | 重磅！加州伯克利研究揭示植物抗病小体ROQ1识别病原菌效应蛋白新机制！Science | 专家点评：植物NLR免疫受体与植物防御反应！Molecular Plant | 王国梁和宁约瑟团队研究揭示NLR介导的水稻抗病新机制）。因此，病原体效应因子进化为逃避免疫识别并且高度可变。反过来，NLR受体是植物中最多样化的蛋白质家族之一，这种可变性增强了效应因子变体的差异性识别（Plant Cell | 劳伦斯伯克利国家实验室通过种内多样性分析揭示了高度可变的植物免疫受体！）。NLRs识别效应因子的自然变异的分子机制已开始阐明。水稻NLR配对Pik-1/Pik-2可以识别稻瘟病菌Magnaporthe oryzae中的AVR-Pik效应因子，从而触发限制稻瘟病感染的免疫反应。整合在受体Pik-1中的重金属相关（HMA）域中的等位基因变异赋予与AVR-Pik变异的差异结合，从而确定抗性特异性。先前的机理研究揭示了Pik等位基因Pikm如何通过专门的HMA/AVR-Pik结合界面将识别基因扩展到效应因子变体。

2021年3月，国际权威学术期刊PLOS PATHOGENS发表了英国约翰·英纳斯中心Mark J. Banfield教授团队的最新相关研究成果，题为The allelic rice immune receptor Pikh confers extended resistance to strains of the blast fungus through a single polymorphism in the effector binding interface的研究论文。在这篇文章中，科研人员表征了水稻免疫受体的等位基因是如何实现广谱识别稻瘟病菌的效应因子。科研人员发现该受体已经进化出一种单一的变化，改变了其与不同效应因子变体结合的方式。这种改变增加了对这些变体的结合亲和力，并且最终被转化为免疫识别。有趣的是，不同的水稻免疫受体等位基因也以类似的方式实现了广谱效应因子的识别。

在这项研究中，科研人员揭示了另一个Pik等位基因Pikh赋予的扩展识别特异性的机制基础。Pikh-HMA中的单个残基增加了与AVR-Pik变体的结合，从而导致植物体内效应因子反应延长。带有AVR-Pik变异体的Pikh-HMA的晶体结构证实了Pikh和Pikm使用类似的分子机制来扩展其病原体识别特性。这项研究表明不同的NLR受体等位基因如何在功能上趋同以将识别特异性扩展到病原体效应因子。

因此，不同的免疫受体等位基因可以汇聚在一个类似的机制上，以实现对病原体效应因子的扩展识别。这些知识可能有助于合理设计对某些最具破坏性的病原体具有定制抗性的植物免疫受体，这是植物生物技术的一项长期目标。

图1. Pikh对本氏烟草中AVR-Pik变体的反应

图2. Pikh-HMA在体内和体外都增加了与AVR-Pik效应因子等位基因的结合

图3. Pikh-1中的Asn261Lys多态性将关联扩展到了植物中的AVR-PikE和AVR-PikA

图4. Pikh-HMA结构域在效应因子结合界面处采用了有利的构象

图5. AVR-PikC中的多态性Asp67破坏了效应因子和HMA结构域之间的氢键

图6. Pikh和PikpNK-KE对AVR-Pik效应因子显示相似的结合亲和力，但Pikh显示在植物中的响应减少

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