首页 > 分享 > 创新！南京农业大学团队揭示利用AlphaFold改造抗病基因在植物保护领域内的巨大应用潜力

创新！南京农业大学团队揭示利用AlphaFold改造抗病基因在植物保护领域内的巨大应用潜力

花匠小妙招
2024-09-27 09:37

在植物与病原菌的长期斗争中，效应子是病原菌攻击寄主植物的武器，病原菌分泌效应子攻击植物的免疫系统导致植物感病。植物进化出精细、复杂的免疫系统，通过识别病原菌效应子激活植物抗性从而保护自身免受侵害。植物的细胞壁由高度复杂的纤维素、半纤维素、果胶聚糖结构组成，是病原菌成功入侵植物需要突破的重要防线。病原菌在侵染植物的早期分泌的效应子中包含大量的细胞壁降解酶（cell wall degrading enzyme, CWDE），破坏植物细胞壁。植物进化出特定的机制来监测细胞壁完整性，包括一组多样化的细胞膜定位的细胞壁感应蛋白和模式识别受体，这些蛋白能够感知细胞壁完整性的改变或由水解酶释放的细胞壁多糖，进而触发防御反应增强寄主抗性(Molina. , et al. 2024), 细胞壁完整性对植物生长和发育至关重要。然而，植物如何响应病原菌侵染维持细胞壁完整性提高抗性的机制尚不清楚。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.07.008

2024年07月19日，Molecular Plant在线发表了南京农业大学王源超教授团队题为“AlphaFold-guided redesign of a plant pectin methylesterase inhibitor for broad-spectrum disease resistance”的研究论文；揭示了植物细胞壁中果胶甲酯化动态重塑调控植物与病原菌互作和协同进化的的作用机制(图1)。

图1：寄主和病原菌围绕果胶甲酯化展开的多层次相互作用模式图

研究发现，大豆根腐病菌大豆疫霉菌通过分泌的果胶甲酯酶（PsPME1）降低了大豆果胶层的甲酯化程度，进而与内聚半乳糖醛酸酶（PsPG1）协同作用破坏细胞壁完整性。细胞壁降解产物甲醇作为“警戒信号”，激活大豆MAPKs信号，进而上调表达果胶甲酯酶抑制子基因GmPMI1，抑制病原菌和大豆分泌的果胶甲酯酶活性，重塑寄主细胞壁提高寄主的抗性。GmPMI1的组成型表达显著增强了寄主抗性，但也破坏了寄主生长与防御反应之间的平衡。因此，本研究进一步利用AlphaFold结构复合体预测工具，设计了一种改良型GmPMI1（GmPMI1R），使其特异性靶向并抑制病原体分泌的果胶甲酯酶，而不影响植物自身与植物生长发育相关的果胶甲酯酶。GmPMI1R持续过表达的植株在不影响植物生长的同时显著提高了对病原卵菌和真菌的抗性。该研究首次揭示了细胞壁动态重塑调控植物抗性的作用机制，对精准设计作物抗病基因实现作物广谱、持久抗病性具有重要指导意义。

该研究也展示了基于人工智能改造抗病基因在植物保护领域内的巨大应用潜力，未来可广泛运用于各种病原菌或共生菌与寄主互作机制的研究，推动植物与微生物互作机理研究，指导病害防控新策略的开发。

南京农业大学为论文的第一署名单位，南京农业大学钟山青年研究员夏业强博士和孙广正博士为论文的第一作者，王源超教授为论文的通讯作者，该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，博士后基金等项目的支持。王源超教授领衔的作物疫病研究团队长期聚焦于重要农作物疫病菌的致病与变异机制，在不同层次探索农作物抗病机制的形成过程与调控规律，该团队近期在疫霉菌和植物围绕寄主细胞壁进行着复杂的多重分子博弈展开研究；首次揭示病原菌致病新机制“诱饵模式”(Ma et al. 2017)，“护盾模式”(Xia et al. 2020)，提出了植物对病原菌的“分层免疫模式”，通过与柴继杰教授合作，解析识别受体RXEG1激活植物抗性的结构基础，揭示了细胞膜受体蛋白具有“免疫识别受体”和酶活“抑制子”的双重功能(Wang et al. 2018; Sun et al. 2022)；解析了植物多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白PGIP特异性识别病原菌PG并劫持其酶活性来触发植物先天免疫的独特分子机制(Xiao et al. 2024)。以上研究对认识生物互作的本质，改造作物的持久广谱抗病性具有重要的理论和实践价值。

参考文献：

Molina, Antonio et al. “Plant cell wall-mediated disease resistance: Current understanding and future perspectives.”Molecular plantvol. 17,5 (2024): 699-724. doi:10.1016/j.molp.2024.04.003

Sun, Yue et al. “Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase.”Naturevol. 610,7931 (2022): 335-342. doi:10.1038/s41586-022-05214-x

Ma, Zhenchuan et al. “A paralogous decoy protectsPhytophthora sojaeapoplastic effector PsXEG1 from a host inhibitor.”Science vol. 355,6326 (2017): 710-714. doi:10.1126/science.aai7919

Wang, Yan et al. “Leucine-rich repeat receptor-like gene screen reveals that NicotianaRXEG1 regulates glycoside hydrolase 12 MAMP detection.” Nature communicationsvol. 9,1 594. 9 Feb. 2018, doi:10.1038/s41467-018-03010-8

Xia, Yeqiang et al. “N-glycosylation shieldsPhytophthora sojaeapoplastic effector PsXEG1 from a specific host aspartic protease.”Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Americavol. 117,44 (2020): 27685-27693. doi:10.1073/pnas.2012149117

Xiao, Yu et al. “A plant mechanism of hijacking pathogen virulence factors to trigger innate immunity.”Science vol. 383,6684 (2024): 732-739. doi:10.1126/science.adj9529

责任编辑：