Nature | 粮食安全之战的重要工具！小麦免疫受体的结构解析有助于指导抗病品种的设计！

作为世界40%人口的主食，小麦对粮食安全的重要性怎么强调都不为过。在不断变化的气候中，作物的抗逆力和对病害的抵抗力将是未来粮食稳定的限制性因素。就小麦而言，最具经济意义的病原体之一是茎锈病，这是一种恶性真菌，可对产量产生破坏性影响。尽管茎锈病自前基督教时代就开始感染小麦，但通过育种家和植物病理学家的努力，在20世纪的最后50年里，世界上主要的小麦种植区已经可以防止任何重大的流行病。不幸的是，这种美好的景象在1998年被打破了，乌干达出现了一种新的、高毒性的小麦茎锈病变体。众所周知，Ug99可以攻击世界上80%的小麦品种，在某些情况下，受感染的田地会完全丧失产量。在寻求为作物提供抵抗新的和新出现的植物病原体的能力时，植物科学家和育种家经常在我们一些主要作物的野生品种中寻找可能提供有效免疫力的基因。Ug99的出现为这种努力提供了特别的动力，并导致了Sr35的发现，该基因在被引入面包小麦时可保护其免受Ug99的侵害。

2022年9月26日，由德国科隆大学和马克斯-普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）的柴继杰（清华大学）（Science | 重磅！柴继杰/Jane Parker/常俊标团队鉴定出增强植物免疫力的分子！Cell | 重磅研究揭示植物免疫蛋白如何保卫宿主免受微生物入侵！Cell | 重磅！中科院遗传发育所周俭民等人研究揭示抗病蛋白如何保护植物免受病原体的侵害！）和Paul Schulze-Lefert（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）以及中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航领导的团队已经破译了Sr35小麦蛋白的结构。这使他们能够解释Sr35如何保护Einkorn小麦免受Ug99的侵害。他们的研究结果发表在国际顶级学术期刊Nature上，题为A wheat resistosome defines common principles of immune receptor channels，可以用来使重要的农作物品种更抗病。

Sr35是植物细胞内核苷酸结合的富含亮氨酸的重复（NLR）受体的一个例子，它检测入侵的病原体的存在。NLR的激活是由识别病原体的"效应蛋白"引发的，这些小的蛋白质被入侵的微生物送入植物细胞，以削弱植物的力量。每个NLR通常与一种类型的效应蛋白结合。当Sr35被激活时，五个受体聚集在一起形成一个大的蛋白质复合物，研究人员称之为"Sr35抗病小体"。这种抗病小体有能力在植物细胞膜上充当通道。这种通道活动启动了强大的免疫反应，最终导致感染部位的植物细胞自杀，作为一种自我牺牲来保护植物的其他部分。

在这项研究中，研究人员首次成功地解析了一个作物物种的抗病小体的结构并描述了其免疫功能。研究人员首先在昆虫细胞中合成Sr35及其相应的Ug99效应蛋白，这一策略使他们能够分离和纯化大量的Sr35抗病小体，并使用低温电子显微镜，这是一种将样品冷冻到低温的技术，可以在原子分辨率上确定生物分子结构。在Sr35的结构中，研究人员可以确定蛋白质的哪些部分对Ug99效应蛋白的识别很重要。有了这一见解，有希望能够产生新的NLR，可以在田间应用，以保护精英小麦品种免受Ug99的侵害，并以这种方式为全球粮食安全作出贡献。

图1｜小麦免疫受体复合物的五部分结构

有了对Sr35抗性体结构的了解，研究人员开始确定他们现在是否可以重新利用大麦和小麦易感精英品种的非功能性受体来识别Ug99效应蛋白。研究人员发现了两种蛋白质，它们虽然与Sr35相似，但不识别Ug99。当他们把Sr35中已知的与Ug99效应蛋白接触的元素替换进来时，科学家们可以把这些蛋白质变成Ug99效应蛋白的受体。这项研究还说明了大自然是如何利用一个共同的设计原则来构建免疫受体的。同时，这些受体的进化方式使它们保留了产生新受体变体的灵活性，可以对其他微生物病原体如病毒、细菌或线虫提供免疫力。在这项研究中获得的见解开辟了一个机会，可以通过设计识别一系列不同病原体效应蛋白的植物抗性蛋白来提高作物抗性。

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