植物在其整個(gè)生命周期和演化過程中，面臨各種病原體的持續(xù)威脅。為了應(yīng)對這些威脅，植物演化出了多種多樣的抗病基因。其中，由核苷酸結(jié)合-富含亮氨酸重復(fù)受體（NLR）介導(dǎo)的免疫反應(yīng)是抵御病原菌的關(guān)鍵防線。有的NLR蛋白獨(dú)自（以singleton模式）就能識別病原并激活抗病，有的NLR蛋白則需要兩兩組隊(duì)（以pair模式）“雙打”發(fā)揮功能其負(fù)責(zé)識別病原菌效應(yīng)因子的稱為“感應(yīng)NLR”（Sensor），負(fù)責(zé)激活免疫反應(yīng)的稱為“輔助NLR”（Helper）。近期在小麥中的幾項(xiàng)研究中新發(fā)現(xiàn)了多對以“雙打”形式發(fā)揮功能的NLR pair，與此同時(shí)，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)NLR pair跨越遠(yuǎn)緣物種也能夠發(fā)揮抗病功能。那么，這些新發(fā)現(xiàn)的NLR pair與經(jīng)典的NLR pair有些什么異同呢， NLR pair的不同特征在植物的演化過程中有什么意義呢，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又有什么指導(dǎo)價(jià)值呢？

近日，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在Trends in Plant Science上發(fā)表了題為The expanding world of plant NLR pairs的評述文章，深入解讀了同期3篇發(fā)表于Nature Genetics關(guān)于新NLR pair的發(fā)現(xiàn)以及一篇發(fā)表于Cell關(guān)于功能“NLR pair”跨物種應(yīng)用的突破性研究。系統(tǒng)評述了小麥中新發(fā)現(xiàn)的NLR pair在結(jié)構(gòu)、功能以及演化上與擬南芥和水稻中經(jīng)典NLR pair的區(qū)別，并從生產(chǎn)實(shí)踐上對NLR pair跨物種發(fā)揮功能的研究進(jìn)行了展望。該評述文章被收錄在Trends in Plant Science 30周年紀(jì)念刊的“塑造植物科學(xué)未來的重大概念”專輯中。

現(xiàn)有研究表明，NLR pair中的Sensor通常攜帶一個(gè)用于感知效應(yīng)因子的融合結(jié)構(gòu)域（integrated domain，簡稱ID），而Helper則發(fā)揮下游免疫信號激活作用。在擬南芥RRS1/RPS4和水稻RGA5/RGA4中，Sensor通過ID直接或間接識別效應(yīng)因子后，會(huì)釋放對Helper的抑制，從而激活免疫信號。而在水稻Pik-1/Pik-2和擬南芥CHS3/CSA1中，需要Sensor與Helper協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)抗病功能（Figure 1 A），雖然早在20多年前就有關(guān)于NLR pair的報(bào)道，但至今經(jīng)過功能驗(yàn)證的案例仍然十分有限。

NLR“雙打”新組合：結(jié)構(gòu)域的簡化讓功能“不死反生”

近期，Klymiuk等人和Hu等人分別獨(dú)立克隆了野生二粒小麥條銹病抗性基因座Yr84（亦稱YrTD121）中的候選基因，發(fā)現(xiàn)是一對NLR pair，該NLR pair編碼一個(gè)結(jié)構(gòu)域完整、沒有ID的CNL蛋白（Yr84-CNL/TdNLR1）和一個(gè)缺失了氨基端結(jié)構(gòu)域的NL蛋白（Yr84-NL/TdNLR2）（Figure 1 A），其中Yr84-NL被認(rèn)為發(fā)揮Helper的功能，而Yr84-CNL為Sensor。有意思的是，這對pair中的不僅Sensor沒有ID，Helper中也缺乏氨基端結(jié)構(gòu)域。NLR蛋白的氨基端結(jié)構(gòu)域（如CC或TIR）對形成抗病小體、發(fā)揮抗病能力至關(guān)重要，因此缺失氨基端的Yr84-NL如何激活免疫成為一個(gè)引人關(guān)注的問題：它是否通過演化獲得了新的功能機(jī)制以彌補(bǔ)缺失氨基端結(jié)構(gòu)域可能導(dǎo)致的抗病激活功能喪失？這一現(xiàn)象表明NLR基因的截短并非演化的“死胡同”，而可能是一種演化的“新生”。

NLR“雙打”新范式：“頭對頭”不必須

早期研究發(fā)現(xiàn)的NLR pair中的兩個(gè)基因，在染色體上都以“頭對頭”的方式排列。Hu等人發(fā)現(xiàn)，盡管Yr84基因座內(nèi)的NLR基因呈頭對頭排列，但將Yr84 NLR pair中的兩個(gè)基因以隨機(jī)方向插入感病小麥品種后，仍能賦予抗性。這表明“頭對頭”并非NLR pair發(fā)揮功能的必要條件，而是表明這兩個(gè)基因很有可能是從祖先NLR基因串聯(lián)復(fù)制而來，并且在病原體的選擇壓力下協(xié)同演化。類似現(xiàn)象正在Zhu等人的研究中同樣被發(fā)現(xiàn)，他們在野生二粒小麥中鑒定出MlIW170/PM26白粉病抗性基因座的兩個(gè)NLR基因TdCNL1和TdCNL5。它們不僅轉(zhuǎn)錄方向相同，中間還隔著另外三個(gè)NLR基因，并不是“頭對頭”排列（Figure 1 A）。Yr84和MLIW170/PM26的研究結(jié)果表明小麥中成對的NLR是通過不同的基因復(fù)制事件和結(jié)構(gòu)域融合事件獨(dú)立演化產(chǎn)生，在共同的病原選擇壓下協(xié)同演化，最終趨同于相似的“雙打”抗病方式。

NLR“雙打”新賽場：突破跨物種應(yīng)用極限

小麥中的上述NLR Pair即使不在“頭對頭”的情況下，仍可通過轉(zhuǎn)基因至易感品種以賦予抗性。那么：這些NLR pair模塊有沒有可能跨遠(yuǎn)緣物種轉(zhuǎn)移并賦予植物抗病功能呢？近期發(fā)表的另一項(xiàng)研究回答了這一問題。Du等人將衍生自一對古老的NLR pair的Sensor和Helper——辣椒中的Bs2基因（Sensor）與煙草中的NRC2/3/4基因（Helpers）共同轉(zhuǎn)入了非茄科的雙子葉植物，甚至是單子葉作物水稻中（Figure 1 B）。令人振奮地發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因水稻能夠識別Bs2對應(yīng)的細(xì)菌效應(yīng)因子并觸發(fā)免疫反應(yīng)，在大田環(huán)境下對水稻細(xì)菌性條斑病表現(xiàn)出強(qiáng)抗性，并且不影響產(chǎn)量。這一實(shí)驗(yàn)證明了親緣關(guān)系非常遠(yuǎn)的物種仍可通過功能性“NLR pair”的移植共享抗病能力，這為作物分子育種提供了全新的工具和思路。

綜上，這些發(fā)現(xiàn)拓展了植物免疫領(lǐng)域中NLR pair的新天地，展現(xiàn)了此類NLR組合在染色體排列、結(jié)構(gòu)域構(gòu)成和功能機(jī)制方面的高度靈活性，也為利用和設(shè)計(jì)NLR pair來實(shí)現(xiàn)作物抗病提供了絕佳范例。與此同時(shí)，新的發(fā)現(xiàn)也引出了一些新的科學(xué)問題。例如：缺失氨基端結(jié)構(gòu)域的Helper NLR如何激活免疫？是否存在其他尚未鑒定的互作因子或全新的信號傳導(dǎo)途徑來介導(dǎo)這類特殊Helper的功能？再者，跨物種部署功能性“NLR pair”的策略能否推廣到更多的NLR pair和更多的植物物種？（Figure 1 C）這些問題的解答將進(jìn)一步深化我們對植物免疫功能機(jī)制和NLR基因演化的理解，并指導(dǎo)未來的作物抗病育種策略。

南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院邵珠卿教授和陳建群教授為該論文的通訊作者，博士生桑程巍和江蘇省中國科學(xué)院植物研究所張艷梅副研究員為論文的第一作者，博士生李賽熙參與了該研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://authors.elsevier.com/a/1m4ur_UxGnNE5H

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2025.10.023