7年前的一個周六晚上，南京農業大學植物保護學院教授陶小榮照例和學生們交流研究進展。學生陳靜剛剛做出來的辣椒免疫受體Tsw的電泳圖結果引起了他的注意。

“這個受體是同類型其它受體的兩倍大小。為什么它會這么大？它到底有什么功能？” 陶小榮覺得，這個看似偶然的現象很可能是揭秘植物抗病機制的重要線索。“只有做重要的科學問題，才能出重大的突破。”

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此后，他們在這片“無人區”堅持不懈的探索，并第一次揭示了病原物效應子直接靶向植物激素受體促進侵染，而植物NLR免疫受體模擬受攻擊的激素受體監控病毒效應子的干擾，并激活免疫機制的新機制。

12月15日，這一研究成果在線發表于《自然》雜志。中國工程院院士康振生說，這一新的進展，為我國植物免疫學研究揭開了新的一頁，提供了新的思路；為抗病育種等應用前景奠定了必不可少的理論基礎和技術途徑。

一張電泳圖引發的研究

電泳圖結果中，辣椒免疫受體基因Tsw的大小是6.3kb。而一些經典的NLR免疫受體基因只有3kb。能敏銳地觀察到這個“異常”，是由于這個團隊已經深耕植物免疫系統研究多年。

陶小榮告訴《中國科學報》，當時他們正在研究番茄斑萎病毒，該病毒是最具破壞性的植物病毒之一，每年在全球范圍內對辣椒、番茄等重要經濟作物造成了嚴重的經濟損失。

番茄感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農大供圖

辣椒感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農大供圖

然而，經歷了千萬年的進化，病原微生物和植物之間一直在進行著復雜而精細的進攻與防御的“軍備競賽”。想要在這場紛亂的“戰爭”中厘清機制，并不是一件容易的事。

陶小榮解釋說，病原微生物為了自己的侵染和傳播，需要入侵到植物體內，它利用自己的“武器”去攻擊寄主植物；而植物為了自身的生存，需要跟病原物去戰斗，從而進化出防御系統監控并銷毀病原物“武器”的攻擊。

“在彼此戰斗過程中，病原物的‘武器’會越來越多樣化，而植物也會進化出越來越多樣化的防御系統，阻止病原物的進攻，這就是植物和病原之間的‘軍備競賽’。”陶小榮說，植物和病原之間的軍備競賽機制是一個復制而精密的系統，搞清楚里面的一條條線索和機制，需要大膽地假設和小心地求證。

“找到重要的線索，這個就是做科研的奧秘所在。”陶小榮說，已知Tsw是辣椒中針對番茄斑萎病毒的抗病基因，它編碼一個NLR免疫受體，通過識別病毒編碼的效應子NSs蛋白進而誘導植物對病毒的免疫反應。這正是論文共同第一作者、南京農業大學植物保護學院博士生陳靜能夠在對Tsw的研究中發現重要線索的原因。

陳靜介紹，然而Tsw-NLR受體蛋白的一級結構上比對不到什么有用的信息，此前也沒有其他相關研究可以參考，無法解析Tsw這么大的功能是什么。因此他們就開始分析該蛋白的三維結構模型，希望找到有用的線索。

“這是一個知識盲區，用現有的知識體系還無法解釋這樣的現象。前沿研究是無人區。”陶小榮說，這個課題經歷過一波三折，克服一道道困難，沒有堅持是不可能完成的。

“模擬”激素受體 “誘騙”病毒效應子

通過三維結構建模和同源比對分析發現，在Tsw中具有一個超大的富含亮氨酸重復序列結構域（LRR）。更令人吃驚的是，該結構域竟然與植物激素茉莉酸、生長素和獨腳金內酯這三個植物激素的受體相似。

在植物復雜而精細的免疫系統中，由激素激發的免疫途徑在抗病過程中發揮重要作用。陶小榮介紹，茉莉酸參與抗病和抗蟲，這都是過去眾所周知的。生長素參與植物的生長，比如向光性，但也參與對病毒的抗性。獨腳金內酯參與植物分蘗，也曾被報道可以抗病和抗線蟲。

在激素通路中，激素受體感受到激素后，會啟動下游一系列的基因進行轉錄重編程。茉莉酸受體COI1、生長素受體TIR1和獨腳金內酯受體搭檔蛋白MAX2都帶有一個LRR結構域，該結構域起著啟動激素通路的作用。而Tsw-NLR受體蛋白中的LRR結構域正是與激素受體的LRR結構域相似。

“這直接促使我們提出一個‘軍備競賽’的假說：病毒會攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個NLR免疫受體是用來監控病毒的這種攻擊的。這是這個課題最重要的科學問題。”陶小榮說。

Tsw NLR免疫受體監控病毒靶向激素受體誘導抗病的工作機制圖。南京農大供圖

過去研究中有不少病原物效應子攻擊植物激素通路的報道，但是沒有報道過病原物效應子直接攻擊植物激素受體的例子，植物免疫系統是否能夠監控效應子也不知道。

不過，科學家已經知道，Tsw通過識別病毒效應子NSs，誘導植物產生強烈的抗病反應。“于是我們想到，病毒NSs蛋白會攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個免疫受體則進化出類似于植物激素受體的結構域，通過模擬植物激素受體，‘誘騙’病毒效應子NSs，繼而監視病原物攻擊過程，最終通過植物免疫系統實現抗病這一過程。”陶小榮說。

“魔”高一尺“道”高一丈

進一步的研究證實了這個猜測。病毒效應子NSs與三種植物激素通路互作時，并不直接與激素受體相互作用，而是與一種名為TCP21的蛋白質直接相結合，TCP21能夠與三種激素受體相互作用并抑制激素信號的活性。

陶小榮解釋，當TCP21與病毒效應子一結合，就好像形成了一條遏制激素活性的繩索，將激素受體牢牢捆綁在一起，束縛了它們的手腳，活力自然大大降低。這樣一來，由激素系統激發的免疫通路就陷入了癱瘓。

激素介導的這一層免疫系統淪陷，植物另一層免疫系統卻在暗中儲備“兵力”。論文共同第一作者、南京農業大學植物學院博士生趙延曉介紹，植物免疫受體Tsw進化出來模擬植物激素受體的結構域，也與TCP21結合，并巧妙利用了病毒蛋白“捆大繩”的特性，在病毒蛋白NSs存在下，Tsw—NLR免疫受體與TCP21的結合，相對于激素受體與TCP21的結合具有更強的親和力。

因此，病毒靶向激素受體的時候，NLR免疫受體Tsw會率先感知到這個過程，進而迅速觸發免疫反應。

“TCP21同時跟三個激素受體互作，病毒效應子NSs通過靶向TCP21把三種激素受體全部‘干掉’，這是病毒的‘高明’之處。而植物免疫受體Tsw—NLR進化出來模擬植物激素受體的結構域，也與TCP21互作，病毒效應子NSs靶向三個激素的時候，免疫受體Tsw—NLR憑借更強的結合力會提前感知到這個過程，并與病毒效應子NSs結合，激發下游免疫反應。這是植物免疫受體的‘高明’之處。”陶小榮說。

而且，激素介導的抗病是一種比較弱的基礎抗病性。NLR免疫受體蛋白介導的抗病性則非常強烈持久，可以有效滅除病原菌。在病毒效應子NSs存在的情況下，植物通過這一機制“選擇”了更為強烈的NLR免疫反應，誘敵深入，從而更好的保護自己。“這為作物抗病的生產應用提供了廣闊前景。”陶小榮說。

新機制為抗病育種提供新思路

陶小榮強調，沒有病原菌時，NLR免疫受體這個“開關”處于關閉狀態，這時抗性不啟動；當病原菌入侵時，NLR免疫受體感知到效應子，開關就會打開，轉換成另外一種狀態，啟動下游一系列抗病反應。

陶小榮（左）帶領學生分析實驗現象。南京農大供圖

他說，NLR免疫受體也是過去人們所熟知的經典的抗病基因（R基因），是在生產上最有利用價值的抗病基因。這一類的抗病基因的特點是，單基因就可以具有免疫作用，只要將這個抗病基因通過雜交和回交引導感病品種中，感病品種就可以實現抗病性。因此這一類抗病基因在抗病育種中得到廣泛應用。

“全球每年因病毒病造成的作物經濟損失超過4000億元。雖然沒有有效殺滅病毒病的農藥，但是利用抗病品種可以將其有效控制。”陶小榮說。

《自然》審稿專家表示，這一研究結果提供了一個復雜的“效應子毒性—NLR反毒性”的令人感到神奇的案例。這一發現非常精彩，將對植物免疫學相關領域產生深遠的影響。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員周儉民說，病毒是病原微生物中最小最簡單的一種，但是人類至今對病毒了解的不多。該研究成果深入研究了抗病毒基因，揭示了前所未知的新的抗病機制，將啟發科學家如何影響植物的激素系統，使得植物能夠更好的抵抗形形色色的病毒病害。

康振生建議，進一步的研究可以聚焦在如何把新發現的抗病機理與生物育種有機結合起來之上，并為其它作物和病毒病研究提供借鑒和參考。對抗病機制的進一步探索和研究，可以在這些新的知識和理論體系的指導下，發展出新的抗病技術、培育出新的抗病材料。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05529-9

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