近日，中国热科院生物所甘蔗研究中心逆境生物学研究团队联合美国南卡罗来纳大学生物科学研究团队在人工设计植物抗病基因新策略方面联合发表热点评论。深入评述了清华大学生命科学学院刘玉乐教授团队发表在国际权威学术期刊《Nature》的“Remodelling autoactive NLRs for broad-spectrum immunity in plants”的研究工作。此项突破性研究为解决NLR易受病原体快速适应、缺乏广谱持久防御能力受限的难题带来曙光。同时，提出了NLR蛋白工程化改造的新策略，通过升级植物体内的智能免疫开关，开创性地建立了一种简单高效的人工设计植物抗病基因的全新策略，可使植物获得广谱、持久且完全的抗病。让植物获得“任尔东西南北风”的抗病底气。
核苷酸结合和富亮氨酸重复序列（nucleotide-binding and leucine-rich repeat, NLR）是植物防御病原入侵的“御林军”，分别派遣“专职侦察兵”TNL（Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domain-containing NLRs）识别病原特征，“精锐先锋营”CNL（coiled-coil (CC) domain-containing NLRs）直接激活防御，“后勤信号兵”RNL（RESISTANCE TO POWDERY MILDEW 8-like CC (CCR) domain-containing NLRs）放大免疫警报。然而，NLR抗病基因虽能提供强力保护，但因易受病原体快速适应，缺乏广谱持久防御能力，应用受限。这一困境长期制约着植物病害防治领域的发展。
植物在受到病原菌侵染后，NLR会组装成高阶膜定位寡聚体—抗病小体（resistosome）激活防御机制。CNL和RNL形成的抗病小体通过N端CC/CCR结构域呈现钙通道活性，其N端多肽序列参与孔道形成。自由的N末端对CNL和RNL功能至关重要。研究表明，N端添加肽段会使其失活，而将甲硫氨酸-组氨酸-天冬氨酸（MHD）结构域中天冬氨酸突变为缬氨酸，或改变蛋白其他区域氨基酸，则可产生自激活aNLR。植物中约45%的RNA/DNA病毒编码蛋白酶以协助侵染，其中马铃薯Y病毒属占已知植物病毒的30%，其编码的NIa蛋白酶可特异性切割XXVXXQ↓A(G/S)或XXVXHQ↓A(G/S)保守位点。基于此，刘玉乐团队创新性地构建了嵌合NLR蛋白：将含病原体蛋白酶切割位点（protease cleavage site, PCS）的柔性多肽连接于自激活aNLR的N端。当病原入侵时，其特异性蛋白酶切割嵌合蛋白，释放具有活性的NLR，从而触发植物免疫（图1a）。
图1.免疫哨兵“BP-PCS-NLR”在病害大战中的作战布局
研究中，他们首先选用马铃薯Y病毒（potato virus Y, PVY）NIa蛋白酶保守切割位点PCSPVY（YEVHHQ↓A）与自激活CNL（aTm-22，含D481V突变），构建HA-PCSPVY-aTm-22。转基因烟草植株表现出对PVY、芜菁花叶病毒（turnip mosaic virus, TuMV）、辣椒斑驳病毒（pepper mottle virus, PepMoV）等五种病毒的完全抗性。进一步验证表明，该策略同样适用于自激活RNL（aAtNRG1.1，含D485V突变），其转基因植株对多种病毒呈现极端或经典完全抗性。另外，针对烟草蚀纹病毒（tobacco etch potyvirus, TEV）NIa切割位点PCSTEV（ENLYFQ↓A）的差异，团队设计了双切割位点嵌合体HA-PCSTEV-PCSPVY-aAtNRG1.1，使植株获得对TEV完全/部分抗性。为验证该策略在主要作物上的应用价值，团队还利用大豆花叶病毒（soybean mosaic virus, SMV）NIa切割位点PCSSMV构建HA-PCSSMV-aAtNRG1.1，成功赋予大豆对SMV的强效抗性且不影响正常生长(图1b)。鉴于选用的病毒蛋白酶识别切割位点高度保守，预计构建的抗病基因可赋予植物“超级广谱”抗病性，抗100多种植物病毒。
该研究虽聚焦于马铃薯Y病毒科，但其创新性的策略具有普适潜力——细菌、卵菌、真菌等病原体及害虫均可分泌蛋白酶。这个全新策略犹如给植物装上“智能防盗门”，病原来了自动“闭门谢客”。此外，该技术可与CRISPR-Cas基因组编辑联用，通过改造内源NLR基因构建含PCS的自激活aNLR，为作物病虫害防治提供全新解决方案。
研究成果以“Broad-spectrum plant immunity: engineering pathogen protease-activated autoactive NLRs”为题发表于国际权威学术期刊《Cell Research》。热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所/三亚研究院吴期滨副研究员为第一作者；中国热科院甘蔗研究中心主任/热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所/三亚研究院阙友雄研究员和美国南卡罗来纳大学生物科学系傅正擎教授为该论文共同通讯作者；中国热科院甘蔗研究中心科研骨干赵婉莹助理研究员为共同作者。该研究获得了美国国家自然科学基金（IOS-2207677）、热带作物生物育种全国重点实验室联合攻关重点项目（SKLTCBLHZD202502和NKLTCB-HZ04）和中央级公益性科研院所基本科研业务费（1630052025013）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41422-025-01169-6
