在自然环境中，植物通过两层先天免疫系统来抵御病原物的入侵：一层是由病原物相关分子模式触发的免疫反应（PTI），另一层是由效应因子触发的免疫反应（ETI）。尽管PTI和ETI在免疫激活的早期阶段展现出不同的特征，但它们在下游信号传导过程中共享一系列事件，例如活性氧（ROS）的迸发、钙离子（Ca²⁺）内流、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应、植物激素的合成以及转录重编程等。这些过程受到受体样激酶（RLK）和受体样细胞质激酶（RLCK）通过磷酸化作用的精细调控，从而精准控制免疫反应的发生和发展。植物核苷酸结合富含亮氨酸重复序列（NLR）蛋白在介导ETI反应中发挥核心作用。近年来，NLR识别效应因子并形成抗病小体（resistosome）的发现是植物免疫学研究领域的里程碑事件。虽然已有多个抗病小体的结构被解析, 但是关于抗病小体组装的精细调控机制在很大程度上仍然未知。翻译后修饰尤其是磷酸化是生命活动最重要的调控方式之一, 但是自上世纪90年代植物NLR蛋白发现以来, NLR蛋白被磷酸化鲜有报道, 迄今也未鉴定出磷酸化植物NLR蛋白的激酶。

近日, 我院张永亮课题组在Nature Plants在线发表题为“A cell wall-associated kinase phosphorylates NLR immune receptor to negatively regulate resistosome formation”的研究论文, 该研究鉴定到磷酸化植物NLR蛋白的激酶, 揭示了翻译后修饰调控抗病小体组装的分子机制。

该研究以单子叶植物中首个抗病毒NLR免疫受体BSR1为研究对象，证实BSR1蛋白在体内和体外存在磷酸化修饰。通过邻近标记技术，系统筛选了可能与BSR1相互作用的蛋白，最终鉴定到一细胞壁相关激酶WAKL20（Cell wall-associated kinase-like kinase 20），生化和遗传学实验证实WAKL20能够磷酸化BSR1蛋白的保守NB-ARC功能域。这一磷酸化修饰导致BSR1的NBD与WHD结构域之间产生空间位阻（clash），从而抑制BSR1的寡聚化，最终负调控抗病小体的组装。进一步研究表明，BSMV编码的效应因子TGB1能够竞争性干扰WAKL20与BSR1的互作，解除WAKL20对BSR1的负调控，从而激活BSR1介导的免疫反应（图1）。此外，序列比对和进化树分析显示WAKL20在单子叶和双子叶植物中高度保守，且BSR1中被WAKL20磷酸化的氨基酸位点在多个NLR蛋白中也具有保守性。初步实验表明，WAKL20不仅负调控BSR1，还能抑制其他NLR免疫受体（如MLA10和Sr35）的功能，说明WAKL20负调控抗病小体组装的机制可能具有普适性。

图1. WAKL20调控BSR1抗病小体组装的工作模型

综上所述，本研究鉴定了首例磷酸化植物NLR蛋白的激酶，有助于深入理解翻译后修饰精细调控抗病小体组装的分子机制, 也为基于结构将NLR蛋白进行改造以更好地应用于作物抗病遗传改良提供了新的思路和科学依据。

我院博士研究生钟陈辰和李文莉为该论文共同第一作者，张永亮教授为通讯作者。美国加州大学戴维斯分校的Savithramma P. Dinesh-Kumar教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员、山西农业大学温智琰副教授和中国农业大学李大伟教授、宋文教授、郭海龙教授和毕国志教授及张定谅博士参与了该项工作；研究工作还得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究员、胡梅娟博士和中国科学院分子植物科学卓越创新中心万里研究员提供技术指导和宝贵建议，沈前华研究员和福建师范大学欧阳松应教授提供了重要实验材料，四川农业大学江千涛教授在转基因材料培育过程中给予了帮助。此外，我院王献兵教授、于嘉林教授、韩成贵教授、徐明良教授、李溱教授、苏震教授、张子丁教授、王颖副教授、杨萌副教授和郭晓锟博士等也给予了宝贵建议和技术支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、拼多多-中国农业大学研究基金等项目的经费支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-01949-3