研究背景
大麦(Hordeum vulgare)作为全球重要的粮食和饲料作物,其生产易受到多种病原菌的威胁。其中,Bipolaris sorokiniana (Bs) 是引发大麦斑点病(Spot Blotch)的主要致病菌,感病品种因此常面临严重的减产风险。然而,与生物型病原菌研究相比,坏死型病原菌的感染策略及宿主感病机制尚未充分阐明。
近日,在New Phytologist发表的题为“A barley MLA immune receptor is activated by a fungal nonribosomal peptide effector for disease susceptibility”的研究文章,该研究首次揭示了一条全新的分子机制:坏死型病原菌 BsND90Pr可通过激活植物免疫受体 Scs6 反而诱导宿主感病。这一发现颠覆了传统免疫受体仅具抗病功能的认知,揭示了效应蛋白的“双刃剑”作用,为抗病育种提供了崭新视角。
研究结果
1.SCS6是MLA亚家族2的天然变异体
大麦对 Bs 的感病机制研究始于一个关键发现:Scs6 基因作为 MLA 亚家族 2 的天然变异体,可能在宿主与病原菌的分子互作中扮演重要角色。首先,通过 MutChromSeq 技术和 EMS 突变筛选,研究首次锁定了位于 1H 染色体 Mla 位点的 Scs6 基因。与 MLA 亚家族 1 基因相比,Scs6 的序列多样性较低,但功能却截然不同。研究团队通过对感病品种 Bowman 的 EMS 突变体进行大规模筛选,鉴定出 7 个抗病突变体,这些突变体的 Scs6 基因均发生非同义突变或基因缺失(图 1)。进一步分析表明,Scs6 编码的 CNL 受体在 CC 结构域具有显著多态性,而这一区域可能是决定 Scs6 功能特异性的核心。这一结果奠定了 Scs6 在大麦感病机制中的重要地位,并为后续研究提供了明确的方向。
图1.利用MutChromSeq 鉴定Scs6基因
2.SCS6基因赋予大麦对BsND90Pr的感病性
在揭示 Scs6 的天然变异属性后,研究进一步探讨了其在大麦感病中的功能作用。通过基因功能验证,研究明确了 Scs6 是感病的必要且充分条件。将 Scs6 基因导入抗病品种 Golden Promise 和 DH47 后,转基因植株在接种 BsND90Pr后表现出显著的感病反应,而未携带 Scs6 的植株始终保持抗性(图 2)。更进一步,研究发现 Scs6 的表达水平在病原菌感染前后无显著变化,这表明其感病性不受病原菌调控的直接影响。此外,研究通过构建转基因模型,将抗病背景成功转变为感病型,直接验证了 Scs6 基因在感病性形成中的主导作用。随着这一结论的确立,研究的视角自然转向了 Scs6 的分子激活机制。
图2.Scs6 是大麦对 Bipolaris sorokiniana ND90Pr 感病的必要且充分条件
3.SCS6通过真菌NRP效应蛋白诱导细胞死亡
研究的深入解答了一个关键问题:Scs6 的感病作用是如何被激活的?结果显示,Scs6 通过响应坏死型病原菌 BsND90Pr分泌的非核糖体肽(NRP)效应蛋白诱导宿主细胞死亡。实验表明,含有 Scs6 的大麦品种在处理 BsND90Pr胞间洗脱液(IWFND90Pr)后,其叶片出现显著坏死病斑,而从 NPS1 缺失突变体中提取的 IWF 无法引发同样的现象(图 3)。更重要的是,Scs6 的 LRR 结构域在识别 NRP 效应蛋白的过程中表现出高度特异性。进一步实验显示,在异源系统(如本氏烟)中表达 Scs6 后,IWFND90Pr依然能够触发细胞死亡,而功能缺失突变的 Scs6 则无法响应。这些发现为研究坏死型病原菌的致病机制提供了重要线索,同时也将研究引向 Scs6 结构域的详细功能解析。
图3.BsND90Pr分泌的效应蛋白通过 LRR 结构域激活 Scs6,诱导大麦及本氏烟的细胞死亡
4.BsND90Pr效应蛋白通过SCS6的NB和LRR结构域特异性激活
围绕 Scs6 的结构域功能,研究进一步揭示了 NB 和 LRR 结构域在感病形成中的决定性作用。通过模块化融合受体实验,研究团队构建了一系列混合型受体,将 Scs6 的不同结构域与 MLA 亚家族 1 和 2(如 MLA6、MLA1)的模块进行替换。实验结果显示,Scs6 和 MLA6/MLA1 的 CC 结构域可以相互替换,表明 CC 结构域功能通用性较高。然而,当 MLA1 的 LRR 结构域被 Scs6 替换后,融合受体对 BsND90Pr效应蛋白的反应能力完全丧失(图 3)。这些结果突出强调了 Scs6 的 NB 和 LRR 结构域在效应因子识别及信号传导中的核心作用,并进一步阐明了其感病功能的分子基础。
5.Scs6 基因在大麦中广泛分布并决定感病性
为了进一步了解 Scs6 在大麦种群中的分布和功能特性,研究团队对 1480 份栽培大麦和 571 份野生大麦进行了广泛接种试验。结果显示,约 23% 的栽培大麦携带 Scs6 等位基因,并对 BsND90Pr表现出高度感病性(图 4)。通过基因测序分析,这些 Scs6 等位基因在栽培和野生大麦中高度保守,其蛋白同源性超过 97.9%。此外,研究发现 Scs6 的抗性等位基因常伴随蛋白截短现象,例如一个抗性品系的 Scs6 蛋白长度仅为 844 个氨基酸,而正常的长度为 959 个氨基酸。这些发现不仅表明 Scs6 是大麦感病性的关键因子,也揭示了其可能因抗病驯化的连锁效应在种群中保留下来的重要进化意义。
图4.Scs6 对Spot Blotch的感病性在野生和栽培大麦中广泛分布
6.SCS6 是大麦特异性创新的免疫受体
研究最后通过系统进化分析,揭示了 Scs6 是大麦属特有的创新免疫受体。结果显示,Scs6 基因在栽培大麦和野生大麦中表现出高度序列聚集性,而在其他禾本科作物中未发现同源基因(图 5)。这一特性表明,Scs6 的功能多样性可能源于长期适应坏死型病原菌效应蛋白的选择压力。此外,研究还发现,Scs6 在进化过程中表现出独特的特化作用,这不仅丰富了植物免疫受体的功能谱系,也为解析大麦的抗病机制提供了重要线索。
图5.大麦MLA多样性驱动BsND90PrNPS1衍生效应物敏感性差异及Spot Blotch感病性的形成
总结与讨论
本研究通过解析大麦 Scs6 基因的分子功能及其与坏死型病原菌 BsND90Pr的互作,系统揭示了免疫受体在感病中的双重角色。研究进一步明确了 Scs6 基因作为感病核心决定因子的作用,并揭示了其在大麦进化中的特异性创新。研究成果不仅为破解坏死型病原菌的致病机制提供了理论依据,还为设计广谱抗病性人工受体和精准抗病育种策略开辟了全新方向
原文链接:
https://doi.org/10.1111/nph.20289