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生命学院刘玉乐实验室建立人工设计植物抗病基因的全新策略实现植物广谱长久抗病

清华大学

发布时间：2025-07-20 18:15:23 102次浏览

清华新闻网7月18日电 植物病原对作物生长和产量造成毁灭性影响，培育抗病作物是保障全球粮食安全与生态可持续发展的迫切需求。近年来，重塑植物免疫受体以获得新型抗病基因已成为应对植物病害严重威胁的重要策略。然而，现有的方法受限于植物病虫的快速进化，往往难以实现广谱持久的抗病。

7月16日，清华大学生命学院刘玉乐实验室在《自然》（Nature）杂志在线发表题为“重塑自激活NLR赋予植物广谱抗病”（Remodelling autoactive NLRs for broad-spectrum immunity in plants）的研究论文，开创性地建立了一种简单高效的人工设计植物抗病基因的全新策略，可使植物获得广谱、持久且完全的抗病。

植物NLR免疫受体主要包括三类：TNL（TIR-NLR）、CNL（CC-NLR）和RNL（CCR-NLR）。TNL和CNL负责识别病原效应子，RNL在免疫信号传导中发挥关键作用。近年来的研究表明，CNL和RNL在识别病原入侵后可组装形成抗病小体，在膜上形成钙离子通道，激活免疫反应，这一过程依赖其CC或CCR结构域的氨基（N）端序列。因此，一个完整且游离的N端对其功能至关重要，与此一致的是，刘玉乐团队早在十年前就发现：在CNL的N端融合额外多肽会抑制其功能。另一方面，在NLR的MHD基序或其他关键区域引入特定突变，可产生自激活型植物NLR免疫受体（autoactive NLR, aNLR）。此外，全世界约45%的植物病毒编码其侵染所必需的蛋白酶——大量细菌、真菌、卵菌、线虫和刺吸式昆虫也依赖向植物细胞分泌蛋白酶致病。

基于上述知识，刘玉乐实验室提出并建立了一种人工设计植物抗病基因的全新策略（图1）：在植物中表达一种羧基（C）端携带病原蛋白酶识别切割位点（protease cleavage site, PCS）的多肽与aNLR的N端融合形成的蛋白，可使植物抗病。无病原存在时，aNLR被融合多肽抑制，保持失活状态；病原入侵时，其编码或分泌的蛋白酶特异切割融合蛋白，释放aNLR，从而激活强烈免疫反应，诱发植物对病原的抗性。若选用保守性高的蛋白酶识别切割位点，该策略可使植物广谱持久抗病。该策略已在模式植物和重要经济作物大豆中成功验证，可使植物对多种病毒完全免疫，有望成为植物抗病毒、细菌、真菌、卵菌、线虫和刺吸式昆虫等多种病虫害的通用策略。

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图1.人工设计抗病基因示意图

具体而言，研究团队将带有马铃薯Y病毒（PVY）蛋白酶识别切割位点YEVHHQ↓A的HA标签多肽分别融合至CNL（Tm-22）和RNL（AtNRG1.1）自激活突变体的N端，构建了2种人工抗病基因。转这2种基因的本生烟草表现出对PVY、芜菁花叶病毒（TuMV）、辣椒斑驳病毒（PepMoV）、辣椒脉斑驳病毒（ChiVMV）和李痘病毒（PPV）等多种病毒的广谱抗性，并且抗性很强，甚至表现为极端抗性，病毒不能建立侵染。由于选用的病毒蛋白酶识别切割位点高度保守，预计构建的抗病基因可赋予植物“超级广谱”抗病性，抗超过100多种植物病毒。进一步地，研究团队还构建了针对大豆花叶病毒（SMV）的定制抗病基因，转基因大豆对SMV完全免疫（图2）。

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图2.转定制抗病基因的大豆抗大豆花叶病毒

与现有方法相比，该策略在构建抗病基因方面具有多重优势：构建简单，仅需改造单个aNLR基因；可针对众多不同的病原进行定制化设计抗病基因、抗性广谱且持久稳定、不易被病原突破，且抗病效果强（对病毒等病原可实现完全免疫）。此外，该方法具有高度普适性，适用于所有作物，并可与基因组编辑技术结合，直接编辑植物内源NLR基因获得新型抗病基因。

由于该成果的重要性与创新性，《自然》杂志同期以“研究简报”（Research Briefing）形式对该工作进行了题为“工程的植物免疫受体抗超过100余种病毒”（Plant immune receptor engineered to protect again more than 100 viruses）的报道，评价该工作“提出了一种优雅简洁且高度创新的植物抗病方法”（present an elegantly simple yet highly innovative method for engineering disease resistance）。

清华大学生命学院教授刘玉乐为论文通讯作者，生命学院博士后王君竹为论文第一作者。河北农业大学教授洪益国，中国农业科学院棉花研究所研究员李付广、葛晓阳，南京师范大学教授许凯，清华大学副教授齐天从等为研究的完成作出了重要贡献。此外，宁波大学教授燕飞、中国科学院动物研究所研究员张晓明、中国科学院微生物研究所研究员郭惠珊、山东农业大学教授李向东、崖州湾实验室研究员周俭民为研究提供了重要的病毒或菌株材料。研究得到清华-北大生命科学联合中心、国家自然科学基金以及农业生物育种国家科技重大专项等的支持。