2024年3月13日，中国农业大学生物学院宋文教授与西湖大学柴继杰教授团队、德国马克斯普朗克研究所Paul Schulze-Lefert教授团队、北京师范大学刘莉教授团队合作在Nature杂志上发表了题为“Substrate-induced condensation activates plant TIR domain proteins”的研究论文，揭示了一类植物抗病蛋白激活的新机制，不仅对植物免疫学研究具有重要的理论价值，而且对于培育新型抗病农作物品种具有潜在的指导意义。

   植物病害造成的粮食减产，严重威胁着世界粮食安全。植物通过自身免疫系统来抵抗病原菌的侵染。植物抗病基因（R gene）编码的抗病蛋白（NLR）是植物重要的细胞内免疫受体，能识别病原菌特异的效应因子激活植物强烈的免疫反应，并在侵染部位引起细胞程序性死亡，从而有效的阻止病原菌的侵染。植物抗病基因在农业生产中一直发挥着重要作用。近年来研究发现，植物NLR抗病蛋白识别病原效应因子后会形成抗病小体（Resistosome）。其中CC类抗病蛋白（CC-NLR）会形成钙离子通道激活免疫反应；TIR类抗病蛋白（TIR-NLR）会形成一个NAD⁺水解全酶，产生新型核苷类免疫信号分子激活免疫反应。在植物基因组中，除了经典的NLR抗病蛋白外，还存在一大类非经典的TIR结构域抗病蛋白。在水稻、小麦、玉米等单子叶粮食作物基因组中，发现仅编码TIR结构域抗病蛋白，但是缺少典型的TIR-NLR抗病蛋白。研究表明，TIR结构域蛋白不仅在病原菌效应因子触发的免疫反应（ETI）中起重要作用，而且也可能参与病原菌模式相关分子模式触发的免疫反应（PTI）。然而，TIR结构域抗病蛋白由于缺少识别病原菌效应因子的LRR结构域和参与NLR寡聚化的NBD模块，其免疫激活的分子机制仍不清楚。

该研究团队在研究TIR结构域蛋白生化功能的过程中，意外发现底物NAD⁺/ATP分子会快速诱发TIR结构域蛋白发生相分离。进一步研究发现，形成凝聚体的TIR结构域蛋白NAD⁺水解酶的活性被激活。因此，推测可能是底物诱导的相分离激活了TIR结构域抗病蛋白的免疫功能。接下来，该研究团队在植物体内研究证实，TIR结构域抗病蛋白自身表达上调或受病原菌诱导表达上调后，会在细胞内源的NAD⁺/ATP分子诱导下形成凝聚体，激活NAD⁺水解酶活性，产生免疫信号分子，从而激发植物免疫反应并引起细胞死亡。破坏TIR凝聚体的形成会导致免疫和细胞死亡功能的丧失；重新建立TIR蛋白相分离，又会恢复免疫和细胞死亡的表型。

该研究团队为了从分子层面揭示底物诱导相分离激活TIR结构域蛋白的机制，解析了TIR结构域蛋白与NAD⁺的复合物结构。发现NAD⁺结合诱导了TIR结构域蛋白上被称为BB-loop的无序区发生了构象改变，从关闭构象转变为开放构象；开放的BB-loop介导了头尾相对的TIR-TIR互作，引发相分离，并形成NAD⁺催化中心。有意思的是，这种TIR结构域蛋白形成凝聚体激活模式与TIR-NLR蛋白形成抗病小体激活的模式，既相似又有不同。相似的是，TIR结构域蛋白和TIR-NLR蛋白最终都形成了几乎完全一样的TIR四聚化NAD⁺催化单元。不同的是，TIR-NLR蛋白是通过病原菌效应因子结合诱导NBD构象改变，引起NBD寡聚化形成抗病小体，进而组装全酶催化中心；而TIR结构域蛋白虽不能结合病原菌效应因子，也缺少NBD寡聚模块，但可以通过底物NAD⁺/ATP结合诱导BB-loop构象改变，引起TIR自身寡聚化形成凝聚体，组装全酶催化中心，产生激活植物免疫反应的信号分子。

图1 TIR结构域抗病蛋白形成凝聚体离激活植物免疫反应的机制

   综上所述，该项研究揭示了植物非典型TIR结构域抗病蛋白通过底物NAD⁺/ATP诱导形成凝聚体激活的新机制。其具有的病原菌效应因子非依赖的自主激活特征，赋予了非典型TIR结构域抗病蛋白广泛的参与ETI、PTI所介导的免疫反应，甚至参与非生物胁迫响应的能力。该项研究为在重要的单子叶粮食作物水稻、小麦、玉米中利用这一机制培育广谱抗病作物提供了重要线索。

      图2 植物NLR抗病蛋白和TIR结构域抗病蛋白激活免疫反应的信号通路

中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室宋文教授，北京师范大学生命科学学院的刘莉教授为该文共同第一作者。中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室为该研究的第一完成单位。西湖大学生命科学学院柴继杰教授，德国马克斯普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授为该文共同通讯作者。哈佛大学的于东立博士，科隆大学的Jan Jirschitzka博士，西湖大学的黄诗嘉博士，西湖实验室的韩志富研究员，马克斯普朗克植物育种研究所的Jane Parker教授，Henriette Laessle博士，清华大学的李丕龙教授，陈伟杰博士等也为该研究做出了重要贡献。该项目受到了中国农业大学高层次人才引进计划项目，植物抗逆高效全国重点实验室，中国农业大学生命科学青年英才计划项目，德国马克斯普朗克研究所等基金的资助。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07183-9