国际研究团队在英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）科学家的领导下，对一组新近发现的植物免疫受体进行了深入研究。他们阐明了这些蛋白质识别入侵病原体的机制，并证实可以通过改造这些蛋白来检测多种真菌威胁。这一发现有望为培育具备更强、更持久抗病能力的农作物铺平道路。
“我们发现了一项可能用于干预谷物最严重真菌病害的潜在技术，”约翰英纳斯中心研究组长、该研究的作者之一马克·班菲尔德（Mark Banfield）教授表示。该研究还联合了日本神户大学（Kobe University）的合作者共同完成。
毁灭性真菌对全球粮食供应构成威胁
这项研究的目标是稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae），这是一种引发稻瘟病的真菌。它不仅是危害栽培水稻最严重的真菌病害，也已成为亚洲和非洲部分地区小麦和大麦的主要威胁。
这种破坏是巨大的。每年，稻瘟病摧毁的稻米足以养活大约6000万人。随着该真菌向更多农业区蔓延，开发有效的作物保护方法对于保障全球粮食安全变得愈发重要。
该真菌通过一种复杂的生物学策略感染植物。它将被称为“效应分子”（effectors）的特殊分子注入叶片和茎干的细胞中。这些分子会干扰植物的正常生理功能，从而使病原体能够建立感染并促进病情发展。
然而，植物也进化出了自身的防御系统。专化的免疫受体能够识别这些外来的病原分子并触发保护性反应。其中一个重要机制是促使受感染细胞在局部的受控区域发生细胞死亡，从而帮助阻止病原体在植物体内进一步扩散。
科学家发现隐藏的植物免疫防线
三十多年来，植物免疫研究大多集中在核苷酸结合富亮氨酸重复受体（NLRs）上。这些受体在理解农作物如何识别并抵御稻瘟病及其他感染方面发挥了核心作用。
近年来，科学家开始研究谷类作物中存在的另一类免疫蛋白，即串联激酶蛋白（TKPs）。尽管研究人员仍在摸索这些受体的运作机制，但它们似乎为强化植物防御提供了新的契机。
先前的研究表明，某些TKP包含一个称为重金属结合（HMA）域的特殊区域。某些NLR受体中也存在类似的区域，它们有助于识别病原体的效应分子并启动免疫反应。
这一共同特征吸引了班菲尔德及其同事的注意，因为这表明科学家或许能够重新设计这些受体，使其能够识别更多的真菌威胁。
“这激起了我们的兴趣，”班菲尔德教授说，“如果我们通过改变效应分子结合位点的氨基酸来对这些整合的HMA域进行工程化改造，我们就能获得所谓的‘新型识别特异性’——并可能为植物抵御疾病开辟一条新的前沿防线。”
将真菌攻击分子转化为靶标
在这项发表在《科学·进展》（Science Advances）上的研究中，研究人员精确检测了HMA域与稻瘟病菌释放分子之间的相互作用方式。
利用生物物理技术和晶体学（一种能让科学家测定分子详细三维结构的方法），研究团队获得了植物受体如何与真菌效应分子结合的高分辨率图像。
结果显示，HMA域可以作为生物诱饵。通过与真菌在感染期间使用的分子结合，这些区域能够帮助植物识别入侵病原体的存在并激活防御机制。
掌握了这一结构信息后，研究人员对TKP免疫受体进行了修饰，使其能够识别与小麦和大麦感染相关的两种不同真菌效应分子。
这种检测多个靶标的能力（称为双重特异性）在天然免疫受体中并不常见。研究证明，这种特性可以通过蛋白质工程引入，这为扩大作物免疫系统能够识别的威胁范围提供了一种极有前景的途径。
该研究结果也为研究其他谷类作物中新近发现的TKP奠定了基础。科学家最终或许能够设计出能够同时检测多种真菌效应分子的定制化免疫受体，从而使病原体更难感染植物。
利用工程学培育抗病能力更强的作物
尽管研究结果令人鼓舞，但这项技术仍处于早期实验阶段。
研究人员使用原生质体（作为研究植物组织反应的简化模型的单个小麦细胞）进行了初步测试。下一步是确定经改造的受体是否能在温室控制条件下生长的完整植株中提供有效的保护。
“我们的研究表明，这种新型抗病蛋白非常适合进行工程化改造。我们现在知道，以往用于改造NLR受体的工具可能也适用于这类新受体，”该研究的第一作者丹尼尔·于（Daniel Yu）博士说。
准确理解真菌效应分子如何附着在植物免疫受体上，还可以帮助研究人员利用其他技术。精准育种和人工智能可能会为重新设计HMA域提供更多途径，使其能够识别以前能够逃脱检测的病原体分子。
一个特别有前景的可能性是将不同类型的免疫受体组合在同一作物中。
由于NLR和TKP似乎通过不同的机制激活植物防御，将它们结合使用可以构建多层保护机制。这可能会使真菌更难进化出绕过植物免疫系统的方法。
“我们认为这两类免疫受体（NLR和TKP）的激活方式可能不同，”班菲尔德教授说，“这为田间更强健的免疫力提供了潜力，因为你不会把所有鸡蛋放在一个篮子里。未来，我们可以利用技术将编码TKP和NLR的基因针对同一病害进行‘堆叠’，从而培育出超级抗病作物。它们激活免疫的方式不同，因此病原体很难通过进化来逃避，”他补充道。
对小麦、水稻和大麦日益严峻的威胁
随着稻瘟病继续威胁主要粮食作物，对更好保护措施的需求变得越来越迫切。
小麦稻瘟病于20世纪80年代在巴西首次被发现，此后已蔓延至亚洲和非洲的部分地区。尽管该病尚未在英国被检测到，但气候变化最终可能会创造出允许其威胁北欧谷物生产的条件。
对于农民而言，稻瘟病在新的地区出现构成了严峻的挑战，特别是该真菌会威胁到养活庞大人口至关重要的农作物。
通过揭示如何改造先前未被充分探索的一类植物免疫受体来识别多种真菌威胁，研究人员为保护未来收成确定了一种可能的新策略。
需要进行进一步的测试，以确定这些改良的防御机制在整株植物以及实际农业条件下是否能有效发挥作用。如果成功，结合不同的免疫受体最终可以帮助科学家开发出对农业最具破坏性的真菌病害具有更强抵抗力的作物。
Author: Daniel Yu, Mark Banfield et al. (John Innes Centre)