聚焦小麦串联激酶-NLR免疫模块：新机制与育种新机遇

摘要：植物的先天免疫系统依赖于细胞内受体来检测病原体效应子并启动强大的免疫反应。其中，核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复序列（NLR）受体在这一过程中扮演核心角色，它们通过直接识别效应子或间接感知效应子诱导的宿主蛋白扰动来发挥功能。经典的NLR介导的免疫模型，如拟南芥的

植物的先天免疫系统依赖于细胞内受体来检测病原体效应子并启动强大的免疫反应。其中，核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复序列（NLR）受体在这一过程中扮演核心角色，它们通过直接识别效应子或间接感知效应子诱导的宿主蛋白扰动来发挥功能。经典的NLR介导的免疫模型，如拟南芥的ZAR1，涉及通过修饰的宿主激酶间接检测效应子，并形成五聚体的抗病小体复合物。类似地，小麦的NLR蛋白Sr35在识别其真菌效应子后也会组装成类似的抗病小体。在茄科植物中，辅助型NLR（helper NLRs），如NRC（NLR required for cell death）家族成员，在被感应型NLR（sensor NLRs）激活后，会寡聚化形成六聚体的抗病小体，促进免疫信号传递所必需的钙离子内流。尽管NLR蛋白已被广泛研究，但串联激酶（tandem kinase, TK）蛋白在植物免疫中的作用此前仍不甚明了。最近的研究，特别是针对小麦TK蛋白Rwt4的研究，显示其能直接结合真菌效应子AvrRwt4，为理解TK蛋白的功能打开了新的窗口。

加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系的Brian J. Staskawicz团队在《Developmental Cell》杂志发表题为“Wheat tandem kinase-NLR immune modules: Novel insights and engineering opportunities”的Spotlight文章，重点解读了近期《Science》杂志发表的两项互补性研究（Chen等和Lu等），这两项研究共同揭示了小麦中一种由串联激酶（TK）和NLR蛋白对组成的免疫模块，它们能够识别真菌效应子并激活防御反应，为通过分子育种工程改造作物抗病性提供了新的理论基础和途径。

近期发表在《Science》杂志上的两项研究（Chen等, 2025; Lu等, 2025）共同阐明了小麦中一种新颖的免疫模块，该模块由串联激酶（TK）和NLR蛋白紧密协作，共同识别真菌效应子并激活下游防御反应。这些发现揭示了前所未知的免疫信号传导机制，并为植物抗病育种提供了新思路。

Chen等人的研究：Sr62TK-Sr62NLR模块的精细解析Chen及其同事对小麦中的一个TK蛋白Sr62TK进行了深入研究。他们发现，Sr62TK通过其第一个激酶结构域（kinase 1 domain）直接结合真菌效应子AvrSr62。这种结合是触发免疫反应的关键，但其激活依赖于一个伴侣NLR蛋白——Sr62NLR的存在。通过突变分析和基于AlphaFold的结构模拟，研究者发现Sr62TK的激酶1结构域上存在效应子（AvrSr62）和第二个激酶结构域（kinase 2 domain）的重叠结合位点。这一发现揭示了一种竞争性置换机制：在没有病原体入侵时，激酶1结构域会抑制激酶2结构域的活性；而当效应子结合到激酶1上时，这种抑制作用被解除，使得激酶2能够激活下游的NLR蛋白（Sr62NLR）。进一步的实验，如分裂荧光素酶互补实验和免疫共沉淀分析，证实了效应子的介入能够促进Sr62TK与Sr62NLR之间的相互作用，最终导致免疫反应的全面启动。

Lu等人的研究：WTK3/Rwt4-WTN1模块的平行验证与功能拓展与Chen等人的研究相呼应，Lu及其团队独立研究了另一种小麦TK蛋白WTK3及其等位基因变体Rwt4。他们发现，这两个TK蛋白均与一个名为WTN1的NLR蛋白配对，共同赋予小麦对白粉病和小麦瘟病的抗性。当效应子被识别后，WTN1蛋白会寡聚化形成高分子量的复合物，这些复合物具有抗病小体的典型特征。更重要的是，这些复合物能形成允许钙离子通过的通道，从而触发下游的免疫信号通路。 Lu等人的这些发现不仅验证了Chen等人提出的TK-NLR模块模型，还证明了该模块在不同小麦基因型和针对不同病原体类型时具有广泛的适用性。

TK-NLR模块的共同工作模式与意义这两项研究共同定义了小麦中一种模块化的免疫系统。在这个系统中，多个感应型TK蛋白（如Sr62TK, WTK3/Pm24, Rwt4）能够激活一个共享的辅助型NLR蛋白（Sr62NLR/WTN1）。这种结构与已知的感应型NLR-辅助型NLR网络（sensor-helper NLR networks）相似，但TK蛋白的引入为免疫调控增加了一个额外的层次。病原体效应子在其中扮演着“分子开关”的角色：它们通过与TK蛋白结合，解除了TK蛋白内部的分子内抑制，从而使得下游的NLR蛋白得以激活，启动防御反应。这种精巧的调控机制确保了免疫系统在没有威胁时不被错误激活，而在病原体入侵时能迅速有效地作出反应。

Chen等和Lu等人的工作为理解植物中基于TK-NLR的免疫信号传导提供了革命性的框架。这些新见解为通过分子育种和合成生物学策略来设计持久、广谱抗病的小麦乃至其他主要作物开辟了新的途径。

尽管取得了显著进展，但仍有几个关键问题有待解答：

WTN1的特殊结构与功能：WTN1是一个非典型的NLR蛋白，包含两个NB-ARC（核苷酸结合适配子，由APAF-1、抗病蛋白和CED-4共享）结构域，其中一个还是退化的。这两个结构域在效应子感知和抗病小体组装过程中的确切功能及其如何与TK蛋白协同工作尚不清楚。它们是共同对形成抗病小体至关重要，还是扮演着不同的调控角色？

TK-NLR模块的进化保守性：这种TK-NLR免疫模块在不同植物谱系中的进化保守性如何，是一个亟待探索的问题。

合成生物学改造潜力：是否可以通过合成工程改造TK蛋白，使其能够识别更广泛的效应子，从而赋予植株对更多种类病原体的抗性，甚至在不精确了解效应子的情况下也能实现抗病？

TK-NLR复合物的结构生物学：效应子-TK-NLR复合物的精细结构仍有待解析。目前尚不清楚该复合物是形成一个稳定的、寡聚化的抗病小体样结构，还是效应子的结合只是瞬时激活NLR，然后NLR独立寡聚化（类似于NRC辅助型NLR的激活机制）。高分辨率的结构研究对于阐明这些动态过程至关重要。

此外，这些研究还突显了伪激酶结构域（pseudokinase domains）在免疫信号传导中的重要功能，挑战了它们仅仅是进化遗迹的传统观念，并强调了它们在植物防御中的关键调控作用。

总而言之，这两项开创性的研究不仅揭示了植物免疫的一个新层面，也为未来作物改良提供了极具潜力的靶点和策略。

该Spotlight文章由加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系及创新基因组学研究所的Furong Liu和Brian J. Staskawicz撰写。通讯作者为Brian J. Staskawicz教授。根据文末声明，B.J.S.是Verinomics Inc.的创始人，并且是Mendel Biotechnology Inc.的董事会成员。文章未直接提及该Spotlight文章的特定资助信息。