由稻瘟菌(Magnaporthe oryzae) 引起的水稻稻瘟病是危害水稻的重要病害，水稻免疫受体一般仅能够识别稻瘟菌中对应的效应蛋白激活抗病反应，却不能够识别其他非对应效应蛋白，通过人工定向设计免疫受体可快速获得新识别特异性的抗病基因，将为稻瘟病绿色防控提供了新的基因和策略。水稻存在一类重要的成对NLR免疫受体RGA4/RGA5， sensor NLR (RGA5) 利用金属离子结合结构域 (heavy metal-associated，HMA) 特异识别稻瘟菌中对应的Magnaporthe oryzae AVRs and ToxB-like (MAX) - effector效应蛋白AVR-Pia和AVR1-CO39，并激活helper NLR (RGA4) 介导的抗病反应。基于免疫受体RGA5/RGA4识别和激活机制，可以设计出识别不同MAX效应蛋白的免疫受体。

近日，植保学院彭友良教授和刘俊峰教授团队在《植物学报》《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表了题为《改造的感受型NLR受体获得对非MAX效应蛋白的新识别特异性》“A resurfaced sensor NLR confers new recognition specificity to non-MAX effectors” 的研究论文。该论文首次设计了能识别稻瘟菌非MAX效应蛋白AVR-Pita的新免疫受体RGA5^HMA120。

在该研究中，研究人员以稻瘟菌非MAX效应蛋白AVR-Pita作为靶点，筛选获得了与AVR-Pita互作的5个候选HMA蛋白。将5个候选HMA结构域分别与RGA5的HMA结构域进行互换，发现由于亲和力和序列长度差异， 5个人候选受体中只有RGA5^HMA120能成功在水稻原生质体体系识别AVR-Pita并激活RGA4引起的细胞死亡，表达RGA5^HMA120的转基因水稻具备了对表达AVR-Pita的稻瘟菌的抗性。进一步利用AlphaFold预测和突变体分析，明确了HMA120结构域结合AVR-Pita的界面，且该界面与HMA识别MAX效应蛋白的互作界面不同。这一发现表明，针对稻瘟菌的重要效应蛋白，包括MAX类或非MAX效应蛋白，HMA结构域可作为一个理想的改造平台以此来获得新的免疫受体。上述研究为水稻的持久抗病分子设计育种提供了切实可行的策略。

该研究团队长期围绕水稻成对免疫受体RGA4/RGA5的识别机制以及免疫受体定向改造进行研究，取得了系列研究成果，1）揭示了抗瘟受体RGA5重金属相关结构域 (HMA) 识别效应蛋白的结构机制和稻瘟菌效应蛋白躲避识别的结构机制 (Zhang et al., Plant J, 2018；Guo et al., PNAS, 2018)；2）设计出系列具有不同识别范围的免疫受体，并明确HMA中羧基端的富含赖氨酸肽段是抗瘟受体RGA5激活的关键区域 (Liu et al., 2021, PNAS) 及参与结合和激活的多个区域 (Zhang et al., 2024, Nature Communication)。

图 1 分子设计RGA5^HMA120识别非MAX效应蛋白AVR-Pita

植物保护学院博士生朱彤彤和吴雪丰为该论文的共同第一作者，张鑫副教授和刘俊峰教授为共同通讯作者，彭友良教授指导了课题的设计，Vijai Bhadauria 教授和王冬立副教授也参与了该项研究工作。该研究受到国家自然科学基金重点项目 (32030089)、国家自然科学基金重大项目 (32293244)、拼多多-中国农业大学研究基金(PC2023A01005)的资助。

相关文献：

Zhang, X., et al. The synthetic NLR RGA5HMA5 requires multiple interfaces within and outside the integrated domainfor effector recognition. Nat Commun 15, 1104 (2024).

Liu, Y. et al. A designer rice NLR immune receptor confers resistance to the rice blast fungus carrying noncorresponding avirulence effectors. Proc. Natl. Acad.Sci. U. S. A. 118 (2021).

Guo, L. et al. Specific recognition of two MAX effectors by integrated HMA domains in plant immune receptors involves distinct binding surfaces. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 115, 11637-11642 (2018).

Zhang, X. et al. A positive-charged patch and stabilized hydrophobic core are essential for avirulence function of AvrPib in the rice blast fungus. Plant J. 96, 133-146 (2018).

Zhu, T., et al. A resurfaced sensor NLR confers new recognition specificity to non-MAX effectors.JIPB（accepted）