PNAS | 中国农大刘俊峰/彭友良团队揭示人工设计的水稻免疫受体及其抗病机制！

许多基因对基因的病害（其中宿主和病原体通过其相近的抗性（R）和无毒性（Avr）蛋白相互识别）对全球粮食安全构成严重威胁。管理这类病害是很麻烦的，因为R基因介导的抗性经常被病原体的毒性生理小种所破坏，这些生理小种是通过失去相应的Avr基因的Avr功能而进化的。为了避免抗性的侵蚀，已经提出了一些策略，包括利用广泛的、抗种族谱的栽培品种和多系栽培品种，每个品种都携带一种独特的R蛋白，能够识别病原体中相应的Avr蛋白。多系栽培品种在管理小麦条锈病和白粉病方面已经得到了很好的证明。然而，具有广谱抗性的栽培品种非常有限，而且培育多系品种费时、费钱，而且费力。R基因的遗传工程可以解决这些挑战，并加速开发广泛的、抗种族谱的栽培品种和多品系。已经确定了不同类型的R基因，其中一个主要组别是编码核苷酸结合和富含亮氨酸重复（NLR）的受体。这些NLR通常由一个N端卷曲螺旋（CC）或Toll/IL-1受体（TIR）结构域、一个中央核苷酸结合结构域和一个C端富含白蛋白的重复结构域组成。有趣的是，许多NLR受体包含一个额外的整合结构域（ID），如重金属相关（HMA）结构域或WRKY结构域。这些ID决定了NLR受体识别Avr效应因子的特异性，因此被认为是设计新型抗性的一个理想目标。

NLR受体通过它们的IDs直接或通过效应因子靶向蛋白间接地识别无毒效应因子。以前的研究已经成功地通过基于其与效应因子相互作用的先验知识来设计IDs或靶向蛋白，从而产生具有新的识别特征的NLR受体。然而，设计一种新的植物受体，能够识别通过未知机制发挥作用的效应因子，这还是一个挑战。一些水稻NLR免疫受体，包括RGA5，具有一个集成的HMA结构域，能够识别相应的稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）Avrs和稻瘟病菌中的类ToxB（MAX）效应因子。

国际权威学术期刊PNAS发表了中国农业大学刘俊峰和彭友良共同通讯的题为A designer rice NLR immune receptor confers resistance to the rice blast fungus carrying noncorresponding avirulence effectors的研究论文。

在这篇文章中，科研人员报告了一个设计的水稻NLR受体RGA5^HMA2，它携带一个工程化的集成HMA结构域（RGA5-HMA2），可以识别不对应的MAX效应因子AvrPib，并赋予表达AvrPib的稻瘟病菌株的RGA4依赖抗性，AvrPib最初通过未知机制引发了Pib介导的稻瘟病抗性。RGA5-HMA2结构域是根据AvrPib与两个MAX效应因子AVR-Pia和AVR1-CO39的高度结构相似性、AVR1-CO39和RGA5-HMA之间的结合界面以及AvrPib和RAG5-HMA的不同表面电荷而设计的。这项工作表明，具有HMA结构域的水稻NLR受体可以被设计成对稻瘟病菌分离出的非对应但结构相似的MAX效应因子产生抗性，这些效应因子表现出同源的NLR受体介导的抗性，其机制未知。科研人员的研究还为通过引入一系列工程化的NLR受体来开发水稻多系和广谱抗性栽培品种提供了一个实用的方法。

图1. 用于识别AvrPib的RGA5-HMA2的工程化过程

图2. RGA5-HMA2与RGA5-HMA结构的比较

图3. RGA5-HMA2在体外和体内都能识别AvrPib

图4. AvrPib与RGA5^HMA2的相互作用导致RGA4介导的植物细胞死亡

图5. RGA4/RGA5^HMA2赋予转基因水稻对携带AvrPib稻瘟病菌的特异性抗性

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