2025年9月12日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院朱旺升研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊Nature Plants在線發(fā)表題為“An apoplastic fungal effector disrupts N-glycosylation of ZmLecRK1, inducing its degradation to suppress disease resistance in maize"的研究論文。本文借助糖基化修飾鑒定技術(shù)，揭示了禾谷鐮孢菌的一種“胞外效應(yīng)子"FgLPMO9A，它可直接靶向胞外免疫受體ZmLecRK1的N-糖基化修飾，促使該受體發(fā)生自噬降解，進(jìn)而抑制玉米的抗病性。藍(lán)景科信為該研究提供了糖基化修飾鑒定檢測(cè)技術(shù)支持。
研究背景
禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）是子囊菌門的一種世界性分布的絲狀真菌病原體，是引起小麥、大麥、玉米等主要糧食作物赤霉病和穗腐病的首要病原菌。質(zhì)外體（植物細(xì)胞間隙區(qū)域）是植物-病原體互作的核心場(chǎng)所，植物通過(guò)胞外免疫受體（如類受體激酶）識(shí)別病原菌表面的“入侵信號(hào)"（病原菌相關(guān)分子模式，PAMPs），激活免疫反應(yīng)（PAMP觸發(fā)的免疫，PTI），抵御病原菌入侵。病原體分泌效應(yīng)子來(lái)抑制植物的免疫反應(yīng)。目前對(duì)胞內(nèi)效應(yīng)子介導(dǎo)的免疫抑制機(jī)制研究較深入，但質(zhì)外體中發(fā)揮作用的“胞外效應(yīng)子"是否直接靶向胞外免疫受體仍不明確。
團(tuán)隊(duì)此前已發(fā)現(xiàn)，玉米中的G型凝集素類受體激酶ZmLecRK1是重要的免疫“哨兵"，能通過(guò)調(diào)控活性氧爆發(fā)和細(xì)胞壁代謝，抵御多種病原菌入侵。但奇怪的是，它對(duì)禾谷鐮孢菌卻“失效"了。團(tuán)隊(duì)推測(cè)，禾谷鐮孢菌可能分泌了特定效應(yīng)子，專門“沉默"ZmLecRK1的免疫功能——這一猜想，成為了本次研究的起點(diǎn)。
核心發(fā)現(xiàn)一：鎖定病原菌的關(guān)鍵——效應(yīng)子FgLPMO9A
為找到禾谷鐮孢菌抑制ZmLecRK1的“元兇"，團(tuán)隊(duì)通過(guò)蛋白互作篩選，從禾谷鐮孢菌分泌的蛋白中，鑒定出一個(gè)關(guān)鍵胞外效應(yīng)子——FgLPMO9A。
FgLPMO9A屬于多糖單加氧酶家族（LPMO），這類蛋白原本被認(rèn)為主要功能是分解植物細(xì)胞壁的多糖（如纖維素），幫助病原菌穿透植物組織。但本研究發(fā)現(xiàn)，它還有一個(gè)“隱藏技能"——作為效應(yīng)子抑制植物免疫。
通過(guò)基因敲除實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)證實(shí)：
- 敲除FgLPMO9A的禾谷鐮孢菌（Δfglpmo9a）對(duì)玉米的致病性顯著減弱，接種后玉米莖稈的病斑長(zhǎng)度大幅縮短；
- 而當(dāng)把這種“減毒"病原菌接種到ZmLecRK1基因缺失的玉米突變體（zmlecrk1）上時(shí)，病原菌的致病性又恢復(fù)。
這一結(jié)果清晰表明：FgLPMO9A是禾谷鐮孢菌突破玉米免疫的關(guān)鍵，且其作用靶點(diǎn)正是玉米免疫受體ZmLecRK1。
圖1 禾谷鐮孢菌分泌FgLPMO9A以特異性抑制玉米中ZmLecRK1介導(dǎo)的抗性。
核心發(fā)現(xiàn)二：效應(yīng)子如何“精準(zhǔn)打擊"免疫受體，瓦解細(xì)胞防御
找到后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了FgLPMO9A攻擊ZmLecRK1的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其通過(guò)“精準(zhǔn)結(jié)合+破壞修飾"，讓ZmLecRK1“失效"。
1. 第一步：鎖定ZmLecRK1的“致命位點(diǎn)"
ZmLecRK1的胞外結(jié)構(gòu)域包含三個(gè)功能區(qū)：B型凝集素結(jié)構(gòu)域、S位點(diǎn)糖蛋白結(jié)構(gòu)域（S-domain）和PAN結(jié)構(gòu)域。通過(guò)蛋白互作實(shí)驗(yàn)和AlphaFold3結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)：
- FgLPMO9A會(huì)特異性結(jié)合ZmLecRK1的S結(jié)構(gòu)域，且關(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)是S結(jié)構(gòu)域上的Y294；
- 若將ZmLecRK1的Y294突變?yōu)閅294A，F(xiàn)gLPMO9A就無(wú)法與其結(jié)合，也不能再抑制ZmLecRK1介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。
這意味著，Y294是ZmLecRK1被FgLPMO9A結(jié)合的“致命位點(diǎn)"。
圖2 FgLPMO9A與ZmLecRK1 S結(jié)構(gòu)域的Y294相互作用以抑制其活性。
2. 第二步：破壞糖基化修飾，觸發(fā)受體降解
蛋白質(zhì)的N-糖基化修飾（在特定天冬酰胺殘基上添加糖鏈）是維持蛋白穩(wěn)定性和功能的關(guān)鍵“開(kāi)關(guān)"。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，體外糖基化質(zhì)譜分析結(jié)果表明，F(xiàn)gLPMO9A結(jié)合ZmLecRK1后，會(huì)利用其多糖單加氧酶活性，破壞ZmLecRK1胞外結(jié)構(gòu)域上第341位天冬酰胺（N341）的N-糖基化修飾。
更關(guān)鍵的是，N341的糖基化被破壞后，玉米細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)“自噬降解通路"，通過(guò)自噬受體NBR1將失活的ZmLecRK1“回收銷毀"——相當(dāng)于FgLPMO9A不僅“繳械"了ZmLecRK1，還觸發(fā)了玉米自身的“垃圾處理系統(tǒng)"，清除這個(gè)免疫受體。
通過(guò)抑制劑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：當(dāng)用自噬抑制劑（3-MA）或液泡降解抑制劑（ConA）處理時(shí)，ZmLecRK1的降解被顯著抑制，其免疫功能也得以恢復(fù)，進(jìn)一步證實(shí)了FgLPMO9A通過(guò)“破壞糖基化+誘導(dǎo)自噬降解"雙重機(jī)制抑制ZmLecRK1。
圖3 FgLPMO9A介導(dǎo)ZmLecRK1自噬降解。
圖4 FgLPMO9A破壞ZmLecRK1中N341的N-糖基化以抑制玉米的抗病性。
核心發(fā)現(xiàn)三：?jiǎn)吸c(diǎn)突變讓玉米獲得“抗病超能力"
既然N341的糖基化修飾是FgLPMO9A攻擊ZmLecRK1的“關(guān)鍵靶點(diǎn)"，那么能否通過(guò)基因編輯讓ZmLecRK1避開(kāi)這種攻擊？
團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：將ZmLecRK1的N341突變?yōu)镹341Q——這種突變會(huì)模擬N-糖基化缺失的狀態(tài)，但不會(huì)被FgLPMO9A識(shí)別和破壞。結(jié)果令人振奮：
- 攜帶ZmLecRK1-N341Q的玉米，在接種禾谷鐮孢菌后，病斑面積比野生型玉米減少約40%，病原菌生物量顯著降低；
- FgLPMO9A無(wú)法再降解ZmLecRK1-N341Q，其介導(dǎo)的免疫反應(yīng)（如活性氧爆發(fā)）得以完整保留。
這一結(jié)果表明，ZmLecRK1的N341Q突變是一個(gè)理想的抗病靶點(diǎn)——僅需對(duì)單個(gè)氨基酸進(jìn)行編輯，就能讓玉米獲得對(duì)禾谷鐮孢菌的廣譜抗性，且不影響ZmLecRK1對(duì)其他病原菌的抗性（因其他抗性相關(guān)位點(diǎn)未被改變）。
研究意義
朱旺升團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)層面打破了人們對(duì)胞外效應(yīng)子功能的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了“病原菌胞外效應(yīng)子-植物胞外免疫受體-自噬降解"的全新互作通路，更在農(nóng)業(yè)應(yīng)用層面提供了抗病育種策略：
1. 精準(zhǔn)育種靶點(diǎn)：通過(guò)基因編輯（如CRISPR）將玉米ZmLecRK1的N341突變?yōu)镼，可快速培育抗赤霉病的玉米新品種，且無(wú)需引入外源基因，符合現(xiàn)代生物育種的發(fā)展方向；
2. 廣譜抗病思路：FgLPMO9A在多種鐮孢菌中高度保守（如尖孢鐮孢菌、輪枝鐮孢菌），這一機(jī)制可能適用于其他作物（如小麥、大豆）的鐮孢菌病害，為跨作物抗病研究提供參考；
3. 免疫機(jī)制拓展：證實(shí)自噬通路參與植物胞外免疫受體的降解調(diào)控，為解析植物免疫穩(wěn)態(tài)維持機(jī)制提供了新視角。
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