由英国约翰英纳斯中心的科学家领导的一个国际研究团队，调查了最近发现的一组植物免疫受体。他们确定了这些蛋白质如何识别入侵的病原体，并证明可以对其进行改造以检测多种真菌威胁。这些发现可能为培育具有更强、更持久抗病性的作物打开大门。
“我们发现了一些可能对最严重的谷物真菌疾病进行潜在干预的方法，”约翰英纳斯中心研究小组组长、该研究的作者马克·班菲尔德教授说，该研究还涉及日本神户大学的合作者。
一种毁灭性真菌威胁全球粮食供应
该研究的目标是稻瘟病菌，即引起稻瘟病的真菌。它引起的影响栽培水稻的最严重的真菌病害，并且已成为亚洲和非洲部分地区小麦和大麦的主要威胁。
其破坏是巨大的。每年，稻瘟病摧毁的水稻足以养活约6000万人。随着这种真菌蔓延到更多农业地区，开发保护作物的有效方法对全球粮食安全变得日益重要。
这种真菌通过复杂的生物策略感染植物。它将被称为效应子的特化分子递送到叶和茎的细胞中。这些分子干扰植物的正常功能，使病原体能够建立感染并促进病害发生。
然而，植物也进化出了自身的防御系统。特化的免疫受体能够识别这些外来分子并触发保护性反应。一种重要的机制是导致受感染细胞在受控的局部区域内死亡，有助于防止病原体在植物体内进一步蔓延。
科学家发现隐藏的植物免疫防御机制
三十多年来，植物免疫的大部分研究都集中在称为核苷酸结合和富含亮氨酸受体的蛋白质上。这些受体在了解作物如何识别并防御稻瘟病和其他感染方面发挥了核心作用。
最近，科学家开始研究在谷物作物中发现的另一组免疫蛋白，称为串联激酶蛋白。尽管研究人员仍在了解这些受体如何运作，但它们似乎为加强植物防御提供了额外机会。
早期研究表明，一些TKP包含一个称为重金属相关结构域的特化区域。在某些NLR受体中也发现了类似区域，它们有助于识别病原体效应子并启动免疫反应。
这一共同特征引起了班菲尔德及其同事的注意，因为它表明科学家可能能够重新设计这些受体以识别更多的真菌威胁。
“这引起了我们的兴趣，”班菲尔德教授说。“如果我们能通过在效应子结合处进行氨基酸蛋白质改变，来改造这些整合的HMA结构域以获得新特性，我们就能获得我们所说的新颖识别特异性——这可能是植物防御病害的一条新前线。”
将真菌攻击分子转化为靶标
在这项发表在《科学进展》的研究中，研究人员详细考察了HMA结构域如何与稻瘟病菌释放的分子相互作用。
利用生物物理技术和晶体学（一种允许科学家确定分子详细三维结构的方法），该团队获得了这些植物受体如何与真菌效应子结合的高分辨率视图。
结果表明，HMA结构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，这些区域帮助植物识别入侵病原体的存在并激活其防御系统。
掌握了这些结构信息后，研究人员对TKP免疫受体进行了改造，使其能够识别与小麦和大麦感染相关的两种不同的真菌效应子。
这种检测多个靶标的能力被称为双重特异性，在天然免疫受体中并不常见。证明可以通过蛋白质工程引入这种特性，暗示了一种扩大作物免疫系统能识别的威胁范围的有前景的方法。
这些发现也为研究不同谷物作物中其他最近发现的TKP提供了基础。科学家最终可能能够设计出同时检测多种真菌效应子的定制免疫受体，从而使植物更难被病原体感染。
培育具有更强抗病性的作物
尽管这些发现令人鼓舞，但该技术仍处于早期实验阶段。
研究人员使用原生质体（作为研究植物组织如何反应的简化模型的单个小麦细胞）进行了初步测试。下一步是确定这些改造后的受体是否能在受控温室条件下生长的整株植物中提供有效保护。
“我们的研究表明，这类新型抗病蛋白适合用于工程改造。我们现在知道，我们以前用于改造NLR受体的工具可能也适用于这一新类别，”该研究的第一作者丹尼尔·余博士说。
准确了解真菌效应子如何附着到植物免疫受体上，也可能有助于研究人员利用其他技术。精准育种和人工智能可能为重新设计HMA结构域提供额外的方法，使其能够识别以前未被检测到的病原体分子。
一个特别有前景的可能性是在同一作物中结合不同类型的免疫受体。
因为NLR和TKP似乎通过不同的机制激活植物防御，将它们一起使用可以创建多层保护。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，即NLR和TKP，可能以不同的方式被激活，”班菲尔德教授说。“这为田间更强大的免疫力提供了可能，因为你没有把所有的鸡蛋放在一个篮子里。在未来的进一步发展中，我们可能能够使用技术将编码TKP和NLR的基因叠加在一起以对抗同一种疾病，从而制造出超级抗病作物。它们将有不同的激活免疫力的方式，因此病原体可能更难通过进化来逃避，”他补充道。
对小麦、水稻和大麦日益严重的威胁
随着稻瘟病继续威胁主要粮食作物，对更好保护的需求变得更加迫切。
麦瘟病于20世纪80年代在巴西首次被发现，此后蔓延至亚洲和非洲部分地区。尽管这种疾病尚未在英国被发现，但气候变化最终可能创造条件，使其威胁北欧的谷物生产。
对农民而言，稻瘟病在新地区的出现构成了严峻挑战，特别是因为这种真菌会威胁到对养活大量人口至关重要的作物。
通过揭示如何对一类以前探索不足的植物免疫受体进行工程改造以识别多种真菌威胁，研究人员确定了一种保护未来收成的新策略。
将需要进一步的测试来确定这些改造后的防御机制是否在整株植物和农业条件下有效。如果成功，结合不同的免疫受体最终可能帮助科学家开发出对农业上最具破坏性的真菌病害之一具有更强恢复力保护的作物。