植物免疫受体FLS2的反向工程揭示广谱识别逃避性flg22表位的关键设计原理

本研究针对植物与病原体在进化过程中形成的"军备竞赛"问题，通过反向工程解析了模式识别受体FLS2的两个天然变体VrFLS2XL和GmFLS2b的广谱识别机制。研究人员发现优化FLS2-flg22相互作用界面可识别弱激动型flg22变异体，而增强FLS2-BAK1直接相互作用能克服拮抗型flg22变异体的免疫逃避。该研究为设计具有广谱识别能力的植物免疫受体提供了关键原则，对培育抗病作物具有重要意义。

　　

在植物与病原体漫长的共进化过程中，双方发展出了精妙的攻防策略。植物通过细胞膜表面的模式识别受体(PRR)来检测病原体相关分子模式(PAMP)，而成功的病原体则能进化出逃避识别的PAMP变异体。其中，FLAGELLIN SENSING 2(FLS2)作为最典型的PRR之一，与共受体BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1(BAK1)共同识别细菌鞭毛蛋白的N端22个氨基酸表位(flg22)。然而，许多植物病原菌携带的flg22变异体能够逃避FLS2的识别，这包括引起冠瘿病的根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)、导致水稻白叶枯病的Xanthomonas oryzae等。

苏黎世大学(University of Zurich)的研究人员Songyuan Zhang等人在《Nature Plants》发表研究，通过反向工程两个天然FLS2变体VrFLS2XL和GmFLS2b，揭示了设计具有广谱识别能力PRR的关键原理。VrFLS2XL能识别根癌农杆菌的flg22^Atum，而GmFLS2b能识别青枯病菌(Ralstonia solanacearum)的flg22^Rso。研究人员利用结构引导的定点突变、DNA改组(DNA shuffling)等技术，系统解析了这些受体扩展识别谱的分子基础。

关键技术方法包括：在Nicotiana benthamiana fls2突变体中瞬时表达FLS2变体进行活性氧(ROS)爆发分析；利用AlphaFold3预测蛋白质复合物结构指导关键残基定位；采用Golden Gate克隆构建嵌合受体；通过DNA改组技术筛选功能增强突变；使用共免疫沉淀验证FLS2-BAK1相互作用；通过农杆菌(GUS报告系统评估抗病性。

LRR12-19^VrFLS2XL是识别flg22^Atum的关键
研究发现VrFLS2XL的LRR12-19区域是其识别flg22^Atum的主要决定因素。通过构建VvFLS2与VrFLS2XL的嵌合受体，证实仅移植LRR12-19^VrFLS2XL就足以使原本对flg22^Atum不敏感的VvFLS2获得识别能力。结构分析显示，约10个关键残基通过直接与flg22^Atum的逃避位点(15N,18YWS20)相互作用或稳定局部构象，共同形成了精细的识别网络。

BAK1相互作用的LRR20-EJM^GmFLS2b介导flg22^Rso识别
与VrFLS2XL不同，GmFLS2b通过其LRR20-EJM区域增强与BAK1的直接相互作用来克服flg22^Rso的拮抗作用。DNA改组技术鉴定出Q600H和S603A是赋予GmFLS2a识别flg22^Rso能力的最小功能获得突变。研究人员还发现了一些位于相互作用界面外的"暗物质"多态性位点，它们通过未知机制影响识别特异性。

设计原则的普适性验证
将LRR12-19^VrFLS2XL移植到不同FLS2同源物中，可使AtFLS2、SIFLS2等获得flg22^Atum识别能力；而LRR20-EJM^GmFLS2b的移植则使SIFLS2和NbFLS2获得flg22^Rso识别能力。这表明针对不同逃避机制的flg22变异体，需要采用不同的工程策略。

该研究不仅揭示了植物免疫受体扩展识别谱的分子机制，还建立了反向工程天然受体变体的方法学框架。通过整合结构生物学、DNA改组等技术，研究人员成功设计出性能优于天然受体的"超级GmFLS2"变体。这些发现为利用精确基因编辑技术培育广谱抗病作物提供了重要理论基础和技术储备，有望突破当前转基因作物的应用限制。特别是在欧盟新基因组技术法规(COM/2023/411)设定的20个核苷酸修饰阈值内，通过引入14个关键残基突变即可使葡萄获得抗冠瘿病能力，展现了该研究在作物改良中的实际应用前景。