近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院陶小榮教授團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)知名期刊《Plant Biotechnology Journal》發(fā)表題為《Stepwise artificial evolution of an Sw-5b immune receptor extends its resistance spectrum against resistance-breaking isolates of Tomato spotted wilt virus》的研究論文，該研究采用逐步人工進(jìn)化的策略，篩選鑒定了大量抗病基因突變體，獲得了對(duì)TSWV田間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徑是種植抗病品種，但是病原菌往往能夠進(jìn)化克服抗病品種的抗性，導(dǎo)致培育的抗病品種失效，甚至產(chǎn)生沒有抗病資源可用的境地，抗病基因人工改良設(shè)計(jì)是挖掘新的抗病基因資源的重要策略。

 

　　以番茄斑萎病毒（Tomato spotted wilt virus, TSWV）為代表的植物負(fù)義單鏈RNA病毒嚴(yán)重危害全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，僅TSWV每年就造成高達(dá)10億美金的經(jīng)濟(jì)損失。來源于秘魯番茄的抗病基因Sw-5b對(duì)TSWV具有良好的抗病作用，但是由于攜帶Sw-5b抗病品種的大面積推廣，田間逐漸產(chǎn)生了能夠克服Sw-5b抗病性的TSWV變異株系。2016年，在美國加利福尼亞州TSWV變異株系在Sw-5b抗病品種推廣地區(qū)發(fā)病率達(dá)到50-80%，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，對(duì)于TSWV抗性突破變異株系仍缺乏有效的防治手段。

 

　　“既然病毒可以通過變異突破抗病基因Sw-5b介導(dǎo)的抗病性，那么是否可以通過人工突變的方式加速Sw-5b的變異進(jìn)化，使其重新獲得對(duì)TSWV變異株系的抗病性？”早在2015年，研究團(tuán)隊(duì)就針對(duì)Sw-5b全長蛋白進(jìn)行大規(guī)模的隨機(jī)突變，嘗試篩選能夠抵抗TSWV田間抗性突破株系的Sw-5b突變體，遺憾的是并沒有鑒定到合適的突變體。近年來，研究團(tuán)隊(duì)在抗病蛋白Sw-5b對(duì)病毒識(shí)別機(jī)制研究上接連取得新進(jìn)展，闡明了Sw-5b不同結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)其自抑制與激活狀態(tài)的多層調(diào)控機(jī)制（Chen et al., 2016, New Phytologist）；發(fā)現(xiàn)Sw-5b通過識(shí)別病毒移動(dòng)蛋白NSm上一段保守的21個(gè)氨基酸短肽，介導(dǎo)了對(duì)美洲型番茄斑萎病毒的廣譜抗性（Zhu et al., 2017, Plant Cell）；同時(shí)發(fā)現(xiàn) Sw-5b N末端額外結(jié)構(gòu)域SD與C末端LRR結(jié)構(gòu)域在NSm的識(shí)別過程中均發(fā)揮重要作用，揭示了抗病基因?qū)Σ≡环N新的兩步識(shí)別機(jī)制（Li et al., 2019, Molecular Plant）。

 

　　基于這些最新的研究進(jìn)展，課題組改變?cè)缙谠赟w-5b全長蛋白上盲目的進(jìn)行隨機(jī)突變的方法，采取逐步精準(zhǔn)突變的策略：首先在LRR結(jié)構(gòu)域第927位氨基酸位點(diǎn)引入一個(gè)自激活突變體，確保C端LRR結(jié)構(gòu)域能夠不受病毒變異的影響正常激活。根據(jù)兩步識(shí)別機(jī)制的原理，在Sw-5bR927A的背景下，只要Sw-5bN末端SD結(jié)構(gòu)域能夠重新識(shí)別病毒變異株系，整個(gè)抗病蛋白Sw-5b就能夠獲得對(duì)TSWV變異株系的抗病性。因此，研究人員進(jìn)一步專門針對(duì)SD結(jié)構(gòu)域進(jìn)行隨機(jī)突變篩選，最終從2000多個(gè)突變體中成功篩選獲得了能夠同時(shí)識(shí)別TSWV野生型以及變異株系的兩個(gè)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對(duì)其它美洲型正番茄斑萎病毒屬病毒也具有良好的抗病性。

 

　　該研究巧妙的利用免疫受體Sw-5b識(shí)別病毒移動(dòng)蛋白NSm的分子機(jī)制改良Sw-5b，為抗病基因的人工改良設(shè)計(jì)提供了新視野、新思路，同時(shí)也為防治TSWV田間變異株系積累了寶貴的抗病基因資源。論文第一署名單位為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，植物保護(hù)學(xué)院博士生黃海寧為論文第一作者，陶小榮教授為通訊作者。植物病毒研究團(tuán)隊(duì)朱敏副教授和青年教師李佳博士等人參與了該項(xiàng)研究。研究得到國家自然科學(xué)杰出青年基金和重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13641