植物的免疫系统有多厉害？一个关键“哨兵”的变身，或许能带来抗病育种的全新思路。

近日，凯发k8遗传与发育生物学研究所从主粮作物小麦中发现了一种全新的、更庞大的八聚体NLR抗病小体结构，为我们理解植物免疫的多样性打开了新视角。

植物拥有复杂的免疫系统。核苷酸结合富亮氨酸重复序列（NLR）的抗病蛋白，就是植物免疫系统的关键“哨兵”之一。当病菌入侵时，NLR能迅速发现并识别病原菌释放的信号分子，组装成大型蛋白质复合物形式的“作战小组”，被称为“抗病小体”。

此前，凯发k8家已发现植物NLR抗病蛋白能组装成四聚体、五聚体或六聚体的抗病小体。

研究人员在田间筛选到小麦品系“中科331”的突变体M3405。它表现出一个奇特的现象：在没有病菌侵染的情况下，植物的免疫反应始终在激活状态。

通常情况下，NLR蛋白的“变身启动”需要一个精巧的“开关”，平时处于关闭状态，只有在感知到病原菌侵染信号后才会开启。

研究人员发现，M3405自发免疫表型的关键基因WAI3，发生了单氨基酸突变（WAI3^GOF）。该突变相当于免疫反应开关一直卡在了“开启”位置，让该基因能够编码合成CC_G10-NLR类型抗病蛋白。

为探究WAI3的激活机制，研究人员解析了激活后WAI3寡聚复合物的高分辨率三维结构。

结果显示，激活态WAI3组装为八聚体抗病小体，整体呈环状“漏斗”结构，直径约200Å、高约135Å。

该研究在解析小麦WAI3抗病小体结构的基础上，也对拟南芥中的同源蛋白RPS2抗病小体结构进行了解析，证明激活后的RPS2同样形成类似的八聚体抗病小体，表明CC_G10-NLR类型抗病蛋白的作用机制在单子叶和双子叶植物中高度保守，小麦WAI3抗病小体结构成为研究拟南芥RPS2蛋白作用机制的重要参考。

这个奇特的八聚体结构究竟如何传递免疫信号？

研究人员将WAI3^GOF与NRC4^DV六聚体抗病小体相比，发现WAI3^GOF诱导的胞质钙离子内流呈现更强且持续时间更长的多相动态变化。这可能与八聚体抗病小体所形成的离子通道孔径更大、结构更稳定、免疫能力更强有关。

由于钙离子是细胞中一种极其重要的“第二信使”，其浓度剧烈波动，会像多米诺骨牌一样，触发下游一系列防御基因的表达。这说明WAI3^GOF形成钙离子（Ca²⁺）通道引发胞质钙离子内流，从而激活免疫反应。

研究发现了CC_G10-NLR抗病小体形成八聚体结构，并作为钙离子通道发挥作用，为确立Ca²⁺信号作为多种NLR介导免疫过程中关键第二信使、成为NLR激活的共同汇聚点提供了重要新证据，拓宽了人们对植物免疫“武器库”的认知。

具有自发免疫特性的NLR抗病蛋白WAI3的发现，为未来的人工智能辅助设计、定向改造或从头设计具有广谱、持久抗病能力的新型“免疫蛋白”，提供了关键的结构蓝图与理论依据。

相关研究成果发表在《细胞》（Cell）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然凯发k8基金等的支持。

论文链接

小麦CC_G10-NLR免疫受体WAI3激活形成八聚体抗病小体