植物病毒免疫学团队在植物抗病基因人工改良设计方面取得新进展

　　近日，南京农业大学植物保护学院陶小荣教授团队在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》发表题为《Stepwise artificial evolution of an Sw-5b immune receptor extends its resistance spectrum against resistance-breaking isolates of Tomato spotted wilt virus》的研究论文，该研究采用逐步人工进化的策略，筛选鉴定了大量抗病基因突变体，获得了对TSWV田间抗性突破株系具有良好抗病作用的Sw-5b抗病基因新材料。

 

　　控制植物病害最有效途径是种植抗病品种，但是病原菌往往能够进化克服抗病品种的抗性，导致培育的抗病品种失效，甚至产生没有抗病资源可用的境地，抗病基因人工改良设计是挖掘新的抗病基因资源的重要策略。

 

　　以番茄斑萎病毒（Tomato spotted wilt virus, TSWV）为代表的植物负义单链RNA病毒严重危害全球农业生产，仅TSWV每年就造成高达10亿美金的经济损失。来源于秘鲁番茄的抗病基因Sw-5b对TSWV具有良好的抗病作用，但是由于携带Sw-5b抗病品种的大面积推广，田间逐渐产生了能够克服Sw-5b抗病性的TSWV变异株系。2016年，在美国加利福尼亚州TSWV变异株系在Sw-5b抗病品种推广地区发病率达到50-80%，造成严重的经济损失。目前，对于TSWV抗性突破变异株系仍缺乏有效的防治手段。

 

　　“既然病毒可以通过变异突破抗病基因Sw-5b介导的抗病性，那么是否可以通过人工突变的方式加速Sw-5b的变异进化，使其重新获得对TSWV变异株系的抗病性？”早在2015年，研究团队就针对Sw-5b全长蛋白进行大规模的随机突变，尝试筛选能够抵抗TSWV田间抗性突破株系的Sw-5b突变体，遗憾的是并没有鉴定到合适的突变体。近年来，研究团队在抗病蛋白Sw-5b对病毒识别机制研究上接连取得新进展，阐明了Sw-5b不同结构域介导其自抑制与激活状态的多层调控机制（Chen et al., 2016, New Phytologist）；发现Sw-5b通过识别病毒移动蛋白NSm上一段保守的21个氨基酸短肽，介导了对美洲型番茄斑萎病毒的广谱抗性（Zhu et al., 2017, Plant Cell）；同时发现 Sw-5b N末端额外结构域SD与C末端LRR结构域在NSm的识别过程中均发挥重要作用，揭示了抗病基因对病原菌一种新的两步识别机制（Li et al., 2019, Molecular Plant）。

 

　　基于这些最新的研究进展，课题组改变早期在Sw-5b全长蛋白上盲目的进行随机突变的方法，采取逐步精准突变的策略：首先在LRR结构域第927位氨基酸位点引入一个自激活突变体，确保C端LRR结构域能够不受病毒变异的影响正常激活。根据两步识别机制的原理，在Sw-5bR927A的背景下，只要Sw-5bN末端SD结构域能够重新识别病毒变异株系，整个抗病蛋白Sw-5b就能够获得对TSWV变异株系的抗病性。因此，研究人员进一步专门针对SD结构域进行随机突变筛选，最终从2000多个突变体中成功筛选获得了能够同时识别TSWV野生型以及变异株系的两个Sw-5b新材料：Sw-5bL33P/K319E/R927A和Sw-5bL33P/K319E/R927Q。除此之外，Sw-5bL33P/K319E/R927A和Sw-5bL33P/K319E/R927Q对其它美洲型正番茄斑萎病毒属病毒也具有良好的抗病性。

 

　　该研究巧妙的利用免疫受体Sw-5b识别病毒移动蛋白NSm的分子机制改良Sw-5b，为抗病基因的人工改良设计提供了新视野、新思路，同时也为防治TSWV田间变异株系积累了宝贵的抗病基因资源。论文第一署名单位为南京农业大学，植物保护学院博士生黄海宁为论文第一作者，陶小荣教授为通讯作者。植物病毒研究团队朱敏副教授和青年教师李佳博士等人参与了该项研究。研究得到国家自然科学杰出青年基金和重点项目的资助。

 

　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13641