种植抗病品种是控制“基因对基因”病害的最有效、经济、环保途径，但抗病基因编码的抗病受体仅识别含有对应效应蛋白的无毒小种，不能识别含有非对应效应蛋白的毒性小种，严重制约了主效抗病基因的应用。因此，如何通过人工设计改良水稻抗瘟基因的识别谱是培育广谱抗瘟水稻品种急需解决的瓶颈问题之一。许多植物感应受体利用其整合结构域（Integrated Domain, ID）特异识别对应无毒效应蛋白，揭示其精准识别机制可为分子设计广谱感应受体提供新的思路。

水稻中有些抗瘟基因如Pia，以成对形式存在，编码2个抗瘟受体RGA5和RGA4，其中RGA5为感应受体，RGA4为辅助受体。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MAX效应蛋白AVR-Pia和AVR1-CO39，并激活RGA4介导的抗病反应。前期，彭友良教授和刘俊峰教授团队揭示了RGA5 HMA识别AVR1-CO39的结构机制（Guo et al., PNAS, 2018），并通过结构解析确定AVR-Pib为MAX效应蛋白（Zhang et al., Plant J, 2018）。基于RGA5 HMA的识别机制和AVR-Pib结构特征，该团队经过突变RGA5 HMA的相应位点，设计出了能识别稻瘟病菌来源的非对应MAX效应蛋白AVR-Pib、并赋予转基因水稻完全抗瘟性的新感应受体RGA5^HMA2（Liu et al., 2021, PNAS）。

 近日，彭友良教授和刘俊峰教授团队在《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了题为《改造的NLR受体RGA5^HMA5需集成整合结构域的多界面来识别效应蛋白》 “The synthetic NLR RGA5^HMA5 requires multiple interfaces within and outside the integrated domain for effector recognition” 的研究论文。该论文报道了能识别非对应MAX效应蛋白AVR-PikD 的感应新受体RGA5^HMA5和发现多个区域参与了HMA结构域的识别。 

在该研究中，研究人员通过点突变、结合酵母双杂和体外pull-down技术，构建出了能与AVR-PikD互作的RGA5^HMA3、RGA5^HMA4、RGA5^HMA5和RGA5^HMA6（图1）。进一步，通过原生质体活性检测，研究人员发现仅有RGA5^HMA5在识别AVR-PikD后激活RGA4引起的水稻细胞坏死（图2），并通过转基因水稻确认RGA5^HMA5能赋予对表达AVR-PikD的稻瘟菌的抗性（图3）。在该研究中，研究人员利用氢氘交换质谱技术（HDX-MS）确定了RGA5-HMA5与AVR-PikD互作的关键肽段，发现这些肽段分别位于3个界面，其中两个位于HMA结构域，一个是RGA5-HMA识别AVR1-CO39的界面，另一个是Pik-HMA识别AVR-PikD的界面（图4）。除此之外，RGA5^HMA5还有一个界面存在于HMA之后的loop区域（C-tail）。进一步分析发现，C-tail的赖氨酸对于RGA5^HMA5激活RGA4有重要调控作用。

该研究不仅设计出了能识别非对应MAX效应蛋白AVR-PikD 的感应新受体RGA5^HMA5，对于广谱抗瘟感应受体以及其它植物免疫受体的设计也具有重要的参考价值。

中国农业大学植物保护学院张鑫副教授和前博士生、现为扬州大学讲师的刘洋博士为该论文的共同第一作者，中国农业大学植物保护学院彭友良教授和刘俊峰教授为共同通讯作者，中国农业大学物保护学院Vijai Bhadauria 教授和郭海龙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。

参考文献

Zhang, X., et al. The synthetic NLR RGA5HMA5 requires multiple interfaces within and outside the integrated domain for 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).

图1 RGA5^HMA3和RGA5^HMA4烟草和水稻体内功能分析

图2 RGA5^HMA5在烟草和水稻体内功能分析

图3 含有RGA4/RGA5^HMA5的转基因水稻对不同稻瘟菌的抗病表型分析

 图4 HDX-MS分析RGA5-HMA5与AVR-PikD的互作