文献解析|基于多学科视角探究植物免疫受体蛋白双功能抗病机制

在与病原菌的长期斗争中，植物进化出了一套精细而复杂的免疫系统，以保护自己免受侵害。这套免疫系统的核心之一是植物模式识别受体（Pattern Recognition Receptors，PRRs），它们定位于细胞膜表面，充当监控病原菌侵害的“前哨”。PRRs能够识别病原菌的病原相关分子模式（Microbe- or Pathogen-Associated Molecular Patterns，MAMPs/PAMPs），从而激活对多种病原菌的广谱抗性（PRR-Triggered Immunity，PTI）。

PRRs主要由受体激酶（Receptor Kinases, RKs）和受体蛋白（Receptor-Like Proteins, RLPs）组成。其中，一类重要的PRR胞外配体识别结构域由富含亮氨酸重复基序（Leucine-Rich Repeats，LRR）构成，因此被称为LRR型PRR。LRR型PRR可以进一步分为LRR-RKs和LRR-RLPs。尽管我们对LRR-RKs的配体识别及活化的分子机制有了较为深刻的理解，但对于参与植物抗病的另一大类LRR-RLPs的配体识别及活化分子机制一直不清楚。

最近的研究进展揭示了LRR-RLPs在植物免疫中的作用机制。例如，清华大学柴继杰教授团队和南京农业大学王源超教授团队合作在《自然》杂志上发表的研究论文中，通过解析受体RXEG1单独（apo-RXEG1）、受体-配体识别（RXEG1-XEG1）和受体-配体-共受体复合物（RXEG1-XEG1-BAK1）等多种不同状态的结构，结合生物化学和植物细胞生物学等手段，进一步阐明了其发挥功能的具体机制。研究发现RXEG1主要通过胞外N端帽子和C端岛区形成的两个独特的loop结合XEG1，激活植物免疫。

这些研究不仅揭示了植物免疫受体蛋白的配体识别及激活的分子机制，还发现了植物受体蛋白在免疫过程中的双重功能，为理解植物受体蛋白家族的功能及结构研究提供了范式，对提高作物广谱抗性具有重要的指导意义。

2022年9月21日，一项具有里程碑意义的研究成果在《Nature》杂志上发表，这项研究由清华大学柴继杰教授团队和南京农业大学王源超教授团队合作完成，题为“Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase”。该研究深入揭示了植物免疫受体蛋白RXEG1的双重功能，即识别病原菌核心致病因子XEG1激活植物免疫，以及直接抑制XEG1酶活，为植物免疫研究领域带来了重大突破。

研究团队通过解析RXEG1的不同状态结构，包括单独的RXEG1（apo-RXEG1）、RXEG1与配体XEG1结合的状态（RXEG1-XEG1）以及RXEG1、XEG1和共受体BAK1形成的复合物（RXEG1-XEG1-BAK1），结合生物化学和植物细胞生物学等手段，阐明了RXEG1发挥功能的分子机制。研究发现，RXEG1主要通过其胞外N端帽子和C端岛区形成的两个独特的loop与XEG1结合，这种结合引起了RXEG1岛区及C末端的构象发生明显变化，进而诱导共受体BAK1的结合，并进一步稳定RXEG1岛区和C端4个LRR基序的构象变化。这一过程中，XEG1并不直接参与RXEG1与BAK1的互作，而是通过别构效应间接促进RXEG1与BAK1的异源二聚化，激活下游免疫信号通路。

此外，该研究还发现RXEG1的两个loop区恰好结合在XEG1的酶活性位点的口袋中，这一发现表明RXEG1除了作为免疫识别受体外，还具有直接抑制XEG1酶活性的功能，从而在植物免疫反应中发挥双重作用。这一发现不仅为理解植物免疫受体蛋白家族的功能及结构提供了新的视角，也为提高作物广谱抗性提供了重要的指导意义。

该研究的共同通讯作者包括清华大学的柴继杰教授、南京农业大学的王源超教授、清华大学的韩志富副研究员和南京农业大学的王燕副教授。共同第一作者为清华大学的孙玥博士生、南京农业大学的王燕副教授以及清华大学的张晓骁博士（现上海科技大学副研究员）。该研究得到了国家自然科学基金、国家大豆产业技术体系项目、国家重点研发计划项目、德国洪堡教席-国际研究奖等项目的支持。

王源超团队在植物免疫领域，尤其是针对病原菌核心致病因子XEG1的研究中取得了显著成果。2015年，该团队首次发现大豆疫霉菌在侵染大豆早期分泌的糖基水解酶XEG1，该酶通过降解细胞壁破坏植物的抗病性。XEG1是一种在多种病原菌中广泛存在的保守糖基水解酶，能够被多种植物识别并诱导免疫反应。

为了深入解析XEG1的免疫识别机制，王源超团队建立了高通量植物细胞膜免疫受体筛选体系，并成功鉴定到植物识别XEG1的免疫受体RXEG1。RXEG1是一种编码细胞膜富亮氨酸重复序列的受体蛋白，它在识别XEG1后能与细胞膜受体蛋白激酶BAK1互作，形成复合物传导免疫信号。RXEG1能够识别不同疫霉菌和真菌分泌的XEG1家族蛋白，调节植物对不同病原菌的广谱抗性。

然而，RXEG1识别XEG1并发挥抗病功能的具体作用机制尚不清楚。为了解决这一问题，柴继杰教授团队与王源超团队展开了紧密合作。柴继杰团队长期致力于动植物先天免疫相关蛋白质复合物的功能与结构研究，在植物模式识别受体结构和作用机制解析方面取得了系列重要进展。合作团队的研究发现，RXEG1主要通过胞外N端帽子和C端岛区形成的两个独特的loop结合XEG1。XEG1的结合引起了RXEG1岛区及C末端的构像发生明显变化，这种改变诱导共受体BAK1的结合，并进一步稳定RXEG1岛区和C端4个LRR基序的构象变化。受体-配体-共受体活化复合物(RXEG1-XEG1-BAK1)结构显示XEG1并不直接参与RXEG1与共受体BAK1的互作，而是通过别构效应间接促进RXEG1与BAK1的异源二聚化。体内生化和功能分析也明确了XEG1诱导RXEG1岛区构象改变进而诱导BAK1结合形成异源二聚体来激活下游免疫信号通路的分子机制。

此外，该研究还发现受体RXEG1的两个loop区恰好结合在XEG1的酶活性位点的口袋中。通过体外酶活抑制实验及植物体内实验证明了破坏RXEG1免疫识别受体功能后，RXEG1依然能够发挥对XEG1水解酶抑制作用来抑制病原菌的侵染。这些现象表明受体RXEG1除了激活免疫反应来抑制病原菌的侵染外，也通过抑制致病因子XEG1的糖基水解酶活性来直接发挥抗病功能。

综上所述，王源超团队的研究不仅揭示了植物免疫受体蛋白的配体识别及激活的分子机制，还发现了植物受体蛋白在免疫过程中的双重功能，为理解植物受体蛋白家族的功能及结构研究提供了范式，对提高作物广谱抗性具有重要的指导意义。