小麦免疫蛋白结构解析粮食安全之战的重要工具

来自马克斯普朗克植物育种研究所和德国科隆大学的科学家与来自中国的同事一起，揭示了小麦如何保护自己免受致命病原体的侵害。他们的发现发表在《自然》杂志上，可用于使重要的作物物种对疾病更具抵抗力。

作为世界40%人口的主食，小麦对粮食安全的重要性怎么强调都不为过。

气候变化中的作物恢复力和对传染病的抵抗力将成为未来粮食稳定性的限制因素。就小麦而言，最具经济意义的病原体之一是茎锈病，这是一种可对产量造成破坏性影响的恶性真菌。

尽管茎锈病从前基督教时代就开始感染小麦，但通过育种者和植物病理学家的努力，在20世纪的最后50年里，世界主要小麦种植区的任何重大流行病已经得以预防。不幸的是，这一美好的画面在1998年被打破，乌干达出现了一种新的、高毒力的小麦茎锈病变种。

众所周知，Ug99可以侵袭世界上多达80%的小麦品种，在某些情况下会导致受感染的田地完全丧失产量。为了使作物能够抵抗新出现的植物病原体，植物科学家和育种者经常从我们的一些主要作物的野生品种中寻找可以提供有效免疫力的基因。Ug99的出现为这些努力提供了特别的推动力，并导致了Sr35的鉴定，该基因在引入面包小麦时可防止Ug99。

现在，由科隆大学和德国科隆马克斯普朗克植物育种研究所的JijieChai和PaulSchulze-Lefert以及中国科学院的YuhangChen领导的科学家已经破译了Sr35的结构。小麦蛋白。这使他们能够解释Sr35如何保护Einkorn小麦免受Ug99的侵害。

Sr35是植物细胞内的核苷酸结合富亮氨酸重复(NLR)受体的一个例子，可检测入侵病原体的存在。NLR激活是由病原体“效应物”的识别触发的，病原体“效应物”是通过入侵微生物递送到植物细胞中以削弱植物的小蛋白质。每个NLR通常绑定到一种类型的效应器。

当Sr35被激活时，五个受体聚集在一起形成一个大的蛋白质复合物，研究人员将其称为“Sr35抗性体”。这种抗性体具有在植物细胞膜中充当通道的能力。这种通道活动引发了强大的免疫反应，最终导致感染部位的植物细胞自杀，这是一种保护植物其余部分的自我牺牲。

在这项研究中，研究人员首次成功解析了来自农作物的抗性体的结构并描述了其免疫功能。

科学家们首先在昆虫细胞中合成Sr35及其相应的Ug99效应子，这是一种允许他们分离和纯化大量Sr35抗性体的策略，并使用低温电子显微镜，一种将样品冷冻至低温的技术，允许以原子分辨率测定生物分子结构。

领导这项研究的AlexanderFörderer说：“在Sr35的结构中，我们可以识别出对Ug99效应器识别很重要的蛋白质部分。有了这种见解，我希望我们可以生成可以应用于该领域的新NLR保护优质小麦品种免受Ug99的侵害，从而为全球粮食安全做出贡献。”

凭借对Sr35抗性体结构的了解，AlexanderFörderer和他的合著者ErtongLi和AaronW.Lawson着手确定他们现在是否可以重新利用易感优良品种大麦和小麦的非功能性受体来识别Ug99效应器。他们发现了两种蛋白质，虽然与Sr35相似，但不识别Ug99。当他们交换已知与Ug99效应器接触的Sr35元素时，科学家们可以将这些蛋白质转化为Ug99效应器的受体。

根据PaulSchulze-Lefert的说法，“这项研究还说明了大自然如何使用共同的设计原则来构建免疫受体。同时，这些受体已经进化到这样一种方式，即它们保留了产生新受体变体的灵活性，这些变体可以提供对病毒、细菌或线虫等其他微生物病原体的免疫力。”

JijieChai指出，在这项研究中获得的见解“开辟了通过工程化识别一系列不同病原体效应物的植物抗性蛋白来提高作物抗性的机会。”