清华大学建立人工设计植物抗病基因的全新策略

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关键词：

来源：

Nature

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来源地址：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09252-z

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-07-16

摘要：

2025年7月16日，清华大学生命科学学院刘玉乐实验室在《Nature》杂志在线发表题为“重塑自激活NLR赋予植物广谱抗病 (Remodelling autoactive NLRs for broad-spectrum immunity in plants）”的研究论文，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。植物NLR免疫受体主要包括三类：TNL（TIR-NLR）、CNL（CC-NLR）和RNL（CCR-NLR）。TNL和CNL负责识别病原效应子，RNL在免疫信号传导中发挥关键作用。近年的研究表明，CNL和RNL在识别病原入侵后可组装形成抗病小体，在膜上形成钙离子通道，激活免疫反应，这一过程依赖其CC或CCR结构域的氨基（N）端序列。因此，一个完整且游离的N端对其功能至关重要，与此一致的是，刘玉乐团队早在十年前就发现：在CNL的N端融合额外多肽会抑制其功能。另一方面，在NLR的MHD基序或其他关键区域引入特定突变，可产生自激活型植物NLR免疫受体（autoactive NLR, aNLR）。此外，全世界约45%的植物病毒编码其侵染所必需的蛋白酶，大量细菌、真菌、卵菌、线虫和刺吸式昆虫也依赖向植物细胞分泌蛋白酶致病。基于上述知识，刘玉乐团队提出并建立了一种人工设计植物抗病基因的全新策略 ：在植物中表达一种羧基（C）端携带病原蛋白酶识别切割位点（protease cleavage site，PCS）的多肽与aNLR的N端融合形成的蛋白，可使植物抗病。无病原存在时，aNLR被融合多肽抑制，保持失活状态；病原入侵时，其编码或分泌的蛋白酶特异切割融合蛋白，释放aNLR，从而激活强烈免疫反应，诱发植物对病原的抗性。若选用保守性高的蛋白酶识别切割位点，该策略可使植物广谱持久抗病。该策略已在模式植物和重要经济作物大豆中成功验证，可使植物对多种病毒完全免疫，有望成为植物抗病毒、细菌、真菌、卵菌、线虫和刺吸式昆虫等多种病虫害的通用策略。具体而言，研究团队将带有马铃薯Y病毒（PVY）蛋白酶识别切割位点 YEVHHQ↓A的HA标签多肽分别融合至CNL（Tm-22）和RNL（AtNRG1.1）自激活突变体的N端，构建了2种人工抗病基因。转这2种基因的本生烟草表现出对PVY、芜菁花叶病毒（TuMV）、辣椒斑驳病毒（PepMoV）、辣椒脉斑驳病毒（ChiVMV）和李痘病毒（PPV）等多种病毒的广谱抗性，并且抗性很强，甚至表现为极端抗性，病毒不能建立侵染。由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，抗超过100多种植物病毒。进一步地，研究团队还构建了针对大豆花叶病毒（SMV）的定制抗病基因，转基因大豆对SMV完全免疫。 相比现有方法，该策略在构建抗病基因方面具有多重优势：构建简单，仅需改造单个aNLR基因；可针对众多不同的病原进行定制化设计抗病基因、抗性广谱且持久稳定、不易被病原突破，且抗病效果强（对病毒等病原可实现完全免疫）。此外，该方法具有高度普适性，适用于所有作物，并可与基因组编辑技术结合，直接编辑植物内源NLR基因获得新型抗病基因。