2025-06-30
文章题目: Interfamily co-transfer of sensor and helper NLRs extends immune receptor functionality between angiosperms
技术手段：转基因、荧光素酶报告基因检测、离子渗透检测、烟草瞬时表达、转录组测序、WB、qPCR等
中国农业大学植物保护学院郭海龙教授团队在国际顶级期刊《Cell》首次系统证明通过共转移感受型与辅助型NLR，可打破NLR免疫受体的“受限的分类学功能”（Restricted Taxonomic Functionality, RTF）瓶颈，在分类学跨度较大的植物间重建ETI免疫信号通路。该研究不仅对深入理解植物免疫系统提供了新的理论基础，而且对作物抗病分子设计育种提供了新的思路和手段，为更好的利用远缘物种中抗病基因资源，铺平了道路。
本研究的转录组测序以及部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章亮点
1.综合技术手段：整合了转基因、共转化技术、病原菌接种实验、荧光素酶报告基因检测、免疫印迹分析、qPCR、mRNA-seq以及田间试验等多种技术手段，系统地研究了感受型NLR 和辅助型 NLR 在烟草、大豆、拟南芥和水稻等多种植物间共转移后的功能及其对植物抗病性的影响。
2.跨物种抗病性提升：将来自辣椒的感受型 Bs2 基因与辅助型 NLR 基因引入至水稻中，成功使水稻获得了对细菌性条纹病菌（Xoc）的抗性，实现了“基因对基因”的抗性，更重要的是，感受型NLR和辅助型NLR叠加（NLR stacking）的转基因水稻农艺性状没有受到影响，这为利用远缘植物的抗病基因资源来改良作物抗病性提供了新策略。源自远缘物种的NLRs可以作为尚未开发的遗传资源，扩大现有作物的抗病基因库，为作物抗病育种服务。
研究背景
植物胞内核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体蛋白 (Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs) 通过直接或者间接的方式识别病原微生物分泌的效应蛋白激活效应子引发的免疫 (Effector-Triggered Immunity, ETI)，引发细胞坏 死进而抵御病原菌的侵染。
然而，不同植物其种间的PRRs和NLRs存在显著差异，而很多NLRs跨科（interfamily）转入远缘物种后常出现抗病功能丧失，造成跨物种转移应用中受限的分类学功能（Restricted Taxonomic Functionality, RTF），RTF很大程度上限制了NLRs在远缘作物中开展抗病种质创制的应用。
近年来研究发现，植物中有一类称为辅助型NLRs (helper NLRs) 位于不同感受型NLR（sensor NLRs）的下游，辅助型NLRs对于感受型NLRs激活后的抗病信号的传递起到关键作用。其深层机制至今未明，成为植物抗病育种的长期难以突破的技术瓶颈。
源于辣椒的抗Xcv的NLR基因Bs2和以及茄科特有的NRC家族，鉴于前期研究表明Bs2的功能需要依赖这类辅助型NRCs，本研究进一步验证是否仅共转移Bs2和NRCs是否就足以在水稻中重构ETI信号通路还是需要额外的茄科特异的蛋白。
技术路线
主要研究结果
1、感受型NLR和茄科辅助型NLR在蔷薇科和水稻中的协同表达成功激活了细胞死亡
作者在烟草进行瞬时检测和离子渗透检测，发现Bs2可以识别AvrBs2Xoc。与Bs2共表达时AvrBs2 Xoc可以诱导过敏反应（HR）（图1A），离子渗透检测结果也证实了这一点（图1B）。
水稻原生质体瞬时表达萤光素酶（LUC）实验证明说明Bs2对AvrBs2Xoc的识别需要辅助型NLR的帮助（图1C）。此外在大豆原生质体的LUC实验证实Bs2和SaNRC2、SaNRC3、SaNRC4a共转可抑制LUC活性，Rpi-amr1和SaNRC2、SaNRC3共转可抑制LUC活性，但和SaNRC4a共转不可抑制LUC活性(图1D-E)
图1：瞬时表达表明辅助型NLR协助感受型NLR克服RTF
2、携带感受型和辅助型NLR的拟南芥稳定转基因系显示效应依赖性细胞死亡
为了测试茄科NLRs在非蔷薇科如拟南芥中的功能，作者构建了表达载体1：感受型NLR、载体2：同时表达感受型和辅助NLR的载体，并在烟草NRC2/3/4敲除突变体中进行测试，发现共表达Bs2、NbNRC2、AvrBs2会引起HR, 共递送Rpi-amr3、NbNRC2、AvrAmr3会引起HR，而单独递送Bs2或Rpi-amr3则不会引起HR（图S2A-B）。
在拟南芥上的载体1和载体2的转基因株系结果证明转入 Rpi-amr3和NbNRC2的拟南芥和转入 Rpi-amr3 和SaNRC2的拟南芥均能识别效应蛋白AvrAmr3，但在单独的感受型NLR系中没有被识别出来（图2）。
图2：茄科Rpi-amr3/NRC2感受型和辅助型NLR协同作用导致拟南芥细胞死亡
3、水稻中Bs2的表达以NRC2、NRC3或NRC4依赖的方式赋予对Xoc的抗型
作者将辣椒Bs2及烟草NRC2/NRC3/NRC4辅助型免疫受体共同转移至水稻中，接种Xoc能诱导NRC2和NRC4在转基因水稻里寡聚化，表明在水稻里重构AvrBs2Xoc激活Bs2的ETI信号通路，暗示仅转移茄科植物的感受型和辅助型NLR受体就足以在水稻中重构ETI信号通路（图3）。
图3：在水稻中的转基因系里Bs2与NRC2/NRC3/NRC4协同表达赋予对Xoc的抗病性
4、水稻中异源表达的感受型和辅助型NLRs不影响基础抗性、生长和农艺性状
共表达感受型和辅助型NLR免疫受体的转基因水稻重要农艺性状如株高、有效分蘖数、每穗粒数、千粒重无明显差异；转基因水稻的基础抗性也不受影响（图4）。并对转基因和WT水稻株系做了qPCR，mRNA，WB相关marker基因验证，发现MAPK、ROS较WT无显著差异，说明感受型和辅助型 NLRs的聚合不引起免疫自激活（图4S）。
图4：ZH11与共表达Bs2和NRCs的转基因系生长表型、农艺性状和基础免疫的比较
研究结论
本研究通过共转移感受型 NLR 和辅助型 NLR，成功实现了在非茄科植物中扩展免疫受体的功能，使这些植物能够识别并响应原本无法识别的病原菌效应子，从而增强了它们的抗病能力。
在烟草、大豆和拟南芥中，共表达感受型 NLR 和相应的辅助型NLR 可有效识别特定的病原菌效应子，并触发免疫反应。特别在水稻中，转基因水稻共表达 Bs2 和 NbNRC3 或 NbNRC4 时，对 Xoc 表现出完全抗性，与 NbNRC2 共表达时表现出部分抗性，而单独表达 Bs2 或仅表达 NbNRCs 的转基因水稻则无抗性。此外，转基因水稻在田间表现出与野生型相似的生长表型和农艺性状，且基础抗性未受影响，表明共转移策略不会对植物的正常生长和适应性产生负面影响。同时，转基因水稻在病原菌感染后能显著上调防御相关基因的表达，进一步证明了其抗病机制的有效性。
这一研究为植物抗病育种提供了新的思路和策略，有助于利用已知的 NLR 资源来增强多种作物的抗病能力。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.028
