日本理化研究所人工改造植物免疫系统

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来源：

Science

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来源地址：

https://doi.org/10.1126/science.adx2508

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：

2025-09-04

摘要：

2025年9月4日，Science杂志在线发表了来自日本理化学研究所Ken Shirasu教授作为通讯作者，题为“Systematic discovery and engineering of synthetic immune receptors in plants”的研究论文。该研究通过大规模的生物信息学分析和合成生物学方法，系统性地发掘并成功改造了植物的免疫受体，揭示了一条在植物界中独立进化、能够感知细菌冷休克蛋白（CSP）的新型免疫受体信号通路。这项研究不仅极大地拓展了我们对植物先天免疫系统多样性和进化复杂性的认知，更重要的是为未来定向设计广谱、持久抗病的作物提供了强大的技术路线和理论依据。植物依赖其细胞表面大量的模式识别受体（PRRs）来感知病原菌相关分子模式（PAMPs），从而启动免疫反应抵抗侵害。富含亮氨酸重复序列的受体激酶（LRR-RLK）是其中最大的一类PRR家族。然而，由于这些受体在植物进化过程中呈现出明显的谱系特异性扩张，在模式植物（如拟南芥）中有效的遗传学方法难以应用于树木、多年生作物等非模式植物，导致大量未知的免疫受体及其功能仍有待发掘，这也限制了通过跨物种转移优良抗性基因来培育抗病作物的进程。该研究首先通过生物信息学分析，对来自285种植物 genomes 的13,185个LRR-RLK-XII受体进行了聚类，获得了210个推测具有相似配体识别特性的亚组。然后，研究团队构建了这些受体胞外域与 brassinosteroid 受体胞内域的嵌合体，并在本氏烟中进行了大规模筛选，发现来自柚子（Citrus maxima）的受体候选者181能被多种细菌激活。进一步的生化分析表明，受体181能够特异性识别细菌保守的冷休克蛋白肽段csp15，该受体因此被命名为SCORE。研究发现，SCORE与之前发现的CORE受体虽然识别相同类型的配体，但在进化上起源不同，且对csp15肽段变异体的识别特异性存在显著差异。通过蛋白质结构预测和结构域交换实验，研究人员最终将SCORE的配体识别特异性关键决定位点定位到其第10个LRR基序上的三个可变氨基酸残基，这些残基通过影响受体表面的电荷分布来精确调控其与不同csp15变异体的结合。总而言之，本研究的意义在于开发了一套整合生物信息学、合成生物学和生物化学的标准化、可扩展的流程，用于系统性挖掘和功能鉴定植物界的免疫受体。其应用价值尤为突出：研究不仅发现了一个新的免疫受体家族（SCORE），更重要的是通过对关键氨基酸位点的理性设计，成功改造出了能够识别由多种重要病原菌（如导致柑橘黄龙病的Candidatus Liberibacter asiaticus、黄单胞菌、根瘤线虫等）所产生的、野生型SCORE无法识别的CSP肽段的人工合成受体变体。这为直接工程化改造作物自身的免疫受体，从而赋予其广谱抗病性，尤其是为难以进行传统遗传改良的多年生经济作物（如柑橘）的抗病育种提供了极具前景的全新策略。