摘要：保障作物健康是构建可持续粮食系统、消除全球饥饿与贫困的基石。然而，由病原微生物引发的植物病害每年都对全球作物产量造成巨大损失。利用植物自身免疫系统抵御病原侵染，是最高效、环保的作物保护策略。植物细胞内有一类被称为NLR（核苷酸结合域-富含亮氨酸重复序列）的免疫

保障作物健康是构建可持续粮食系统、消除全球饥饿与贫困的基石。然而，由病原微生物引发的植物病害每年都对全球作物产量造成巨大损失。利用植物自身免疫系统抵御病原侵染，是最高效、环保的作物保护策略。植物细胞内有一类被称为NLR（核苷酸结合域-富含亮氨酸重复序列）的免疫受体蛋白，它们是植物识别病原菌并启动防御反应的“哨兵”。因此，从自然界中挖掘并利用新的NLR基因，是作物抗病育种的核心。但这一过程通常耗时费力，传统的图位克隆等方法效率低下。一个长期以来束缚该领域发展的传统观念认为，NLR基因的表达必须被严格抑制在极低水平，以避免在没有病原菌时激活免疫反应而导致“自伤”，即所谓的“健康成本”。这一观念使得科学家们在筛选候选NLR基因时，往往忽略了那些高表达的基因，极大地限制了新基因的发现效率。

英国塞恩斯伯里实验室（The Sainsbury Laboratory）的Helen J. Brabham和美国农业部农业研究局（USDA-ARS）的Matthew J. Moscou团队在《Nature Plants》发表题为“Discovery of functional NLRs using expression level, high-throughput transformation and large-scale phenotyping”的论文，揭示了一种颠覆性的抗病基因挖掘新策略。该研究发现，与传统认知相反，大量功能性NLR免疫受体在未受感染的健康植物中即呈现高水平表达。基于这一关键发现，团队建立了一套集“高表达筛选、高通量转化、大规模表型鉴定”于一体的高效流程，并构建了一个包含995个来自多种禾本科植物的候选NLR基因的转基因小麦文库。通过对该文库进行抗性筛选，成功鉴定出31个全新的、能够抵抗小麦秆锈病和叶锈病的新抗病基因。

为了验证NLR基因表达水平与其功能的关系，研究团队首先以大麦抗白粉病基因Mla7为研究对象。传统观点认为单个拷贝的NLR基因就足以发挥功能。然而，通过构建不同拷贝数的Mla7转基因大麦，研究发现，单拷贝的Mla7基因并不足以赋予大麦对白粉病菌的抗性。只有当转基因拷贝数增加到两个或更多时，植株才表现出明显的抗病性，并且随着拷贝数的增加，抗病水平也相应增强（图1a, b）。这一结果有力地挑战了“NLR基因必须低表达”的传统观念，首次证明了某些NLR基因需要达到一定的表达阈值才能有效发挥其免疫功能。

基于Mla7的初步发现，研究团队将视野扩大到更广泛的植物物种中，探究“高表达”是否是功能性NLR基因的一个普遍特征。他们对六大类植物（包括单子叶和双子叶）的转录组数据进行了系统分析，结果惊人地一致：在所有被分析的物种中，已知的、功能明确的NLR抗病基因都显著富集于那些表达水平最高的NLR基因群体中（图2）。例如，在拟南芥中，已知的NLR基因在表达量排名前15%的NLR转录本中显著富集。此外，研究还发现，对于同一个NLR基因，其功能最强的亚型（isoform）通常也是表达量最高的亚型（图3）。这些跨物种的证据共同指向一个清晰的结论：“高表达”可以作为一个简单而强大的分子标记，用于从海量的NLR基因中快速预测和筛选出具有潜在功能的候选者。

基于“高表达”这一筛选标准，研究团队设计了一套全新的NLR基因快速挖掘流程（图4）。他们从18种不同的禾本科植物（包括多种小麦的野生近缘种）的68个种质资源中，通过转录组测序，鉴定出所有NLR基因的转录本。随后，他们只挑选出每个种质中表达量排名前25%的NLR转录本作为候选基因。通过这一高效的生物信息学筛选，他们最终构建了一个包含995个候选NLR基因的文库。

为了在小麦中快速验证这近千个基因的功能，研究团队利用了高效的农杆菌介导的遗传转化体系。他们将这995个候选基因分别构建到表达载体上，并转化到感病的普通小麦品种‘Fielder’中，最终成功获得了覆盖这995个基因的5177个独立的转基因株系。这个规模庞大的转基因小麦阵列，相当于一个“即插即用”的抗病基因功能验证平台，为后续的大规模表型筛选奠定了基础。

研究团队利用构建好的转基因小麦阵列，针对两种对全球小麦生产构成严重威胁的毁灭性病害——秆锈病和叶锈病，进行了大规模的温室和田间抗性筛选。结果取得了巨大成功：

总计31个新NLR抗病基因的发现，证明了该策略的极高效率和成功率。这些新基因来源于多种不同的禾本科物种，包括此前从未被用作小麦抗病基因来源的植物，极大地拓宽了小麦抗病育种可利用的基因库。

本研究通过一系列严谨的实验，成功颠覆了“功能性NLR基因必须低表达”的传统学术认知，并在此基础上建立了一套革命性的植物抗病基因挖掘新流程。该流程巧妙地将“高表达水平”这一简单分子特征作为功能预测的“金标准”，结合高通量的基因克隆、遗传转化和表型鉴定技术，实现了从海量野生资源中快速、规模化地发现和验证新NLR基因的突破。在概念验证实验中，仅用一个流程就成功鉴定出31个全新的小麦抗锈病基因，其效率远超传统方法。

这项工作不仅为植物免疫学领域的基础研究提供了新的理论视角，更对全球作物遗传改良具有重大的实践意义。它为从野生植物这个巨大的“基因宝库”中获取宝贵抗病资源提供了一条快车道，将极大地加速抗病、抗逆作物品种的培育进程。未来，通过将更多新发现的NLR基因进行“堆叠”（stacking），有望培育出具有持久、广谱抗性的超级作物品种，为保障全球粮食安全和实现农业可持续发展做出重要贡献。

本文的第一作者为Helen J. Brabham和Inmaculada Hernández-Pinzón。通讯作者为英国塞恩斯伯里实验室的Helen J. Brabham博士和美国农业部农业研究局的Matthew J. Moscou博士。该研究得到了2Blades基金会、Gatsby慈善基金会以及美国农业部农业研究局等机构的资助。

DOI链接：https://doi.org/10.1038/s41477-025-02110-w

来源：小吴说科学