编辑推荐：
本文聚焦植物免疫，深入剖析核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）受体。从单体 NLRs 的结构与生化活性，到成对 NLRs 及与串联激酶的互作，再到辅助 NLRs 在免疫网络中的功能，全面阐述其在植物免疫中的关键作用，为作物抗病研究提供思路。
1. 引言
在自然界中，植物不断受到细菌、真菌、卵菌、病毒和线虫等多种病原体的挑战，这在农业生产中会导致作物大量减产。利用抗性基因（R）增强植物免疫力是控制作物病害最有效且环保的方法。
植物进化出了两层先天免疫系统。第一层是模式触发免疫（PTI），由表面定位的模式识别受体（PRRs）识别病原体或微生物相关分子模式（PAMPs/MAMPs）启动。第二层是效应子触发免疫（ETI），当细胞内抗病（R）蛋白检测到特定病原体效应子时被激活，常引发强烈的免疫反应和程序性细胞死亡（PCD），即超敏反应（HR）。ETI 在作物育种中被广泛用于改善抗性性状。
大多数植物抗性（R）基因编码细胞内核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）受体，其在 ETI 中起核心作用。NLR 蛋白包含保守的核苷酸结合结构域（NB-ARC）和可变的 C 端富含亮氨酸重复（LRR）区域，LRR 区域参与效应子识别。根据 N 端结构域不同，NLRs 可分为 TIR-NLRs（TNLs）、CC-NLRs（CNLs）和 CCRPW8-NLRs（RNLs）三个主要亚家族。此外，部分 NLRs 含有整合的非经典结构域，即 “整合诱饵” 或 “整合结构域”（IDs），如 HMA、WRKY、BED 和 NOI 等，有助于效应子识别或下游信号传导。
植物基因组通常编码数百个 NLR 基因，这些基因常形成簇。植物 NLRs 在免疫激活中可分为单例 NLRs、传感器 NLRs、执行器 NLRs 和辅助 NLRs 四种主要类型。单例 NLRs 独立发挥作用，能直接或间接识别病原体效应子并触发免疫反应；传感器 NLRs 识别病原体产生的特定分子或蛋白质，启动免疫反应；执行器 NLRs 在成对 NLR 系统中被传感器 NLRs 激活，执行免疫反应；辅助 NLRs 不直接识别病原体效应子，在多个传感器 NLRs 下游起免疫信号网络中枢作用。
2. 单例 NLRs：植物免疫信号传导中的结构和生化活性
在动物中，激活的 NLRs 形成炎症小体，招募半胱天冬酶启动免疫信号传导。植物 NLR 蛋白也常自我结合形成同源二聚体或高阶寡聚体，在病原体感知和免疫反应激活中起关键作用。
以拟南芥 CNL 蛋白 ZAR1 为例，它与受体样胞质激酶（RLCKs）和假激酶形成复合物，检测效应子。效应子触发 PBL2 的尿苷酰化（PBL2UMP）后，RKS1 的激活段稳定，诱导 NB 结构域构象变化，促进 ADP 释放，使 ZAR1 准备结合 ATP 并激活。ATP 结合诱导 ZAR1 - RKS1 - PBL2UMP复合物五聚化形成抗性小体，定位于质膜。抗性小体 N 端 CC 结构域螺旋重排形成钙通透的阳离子选择性通道，启动下游免疫反应。
来自小麦的 CNL 受体 Sr35，能赋予小麦对茎锈病病原体的抗性。它直接识别效应子 AvrSr35，结合 ATP 后形成五聚体抗性小体，与 ZAR1 抗性小体结构相似，也具有 Ca2+通道活性。
拟南芥 TNL 受体 RPP1 识别病原菌效应子 ATR1，触发对霜霉病的抗性。冷冻电镜显示，RPP1 和 ATR1 组装成由四个 RPP1 和四个 ATR1 分子组成的四聚体抗性小体。该结构通过多层调节稳定，四聚化使 TIR 结构域形成不对称同二聚体，产生 NAD 酶催化位点，催化 NAD+裂解产生信号分子，激活免疫信号通路。
烟草中的 TNL 受体 ROQ1 识别细菌效应子 XopQ，提供对病原体的抗性。其抗性小体也形成四聚体，效应子结合引发寡聚化，TIR 结构域形成 NAD+水解酶活性位点，对下游信号传导和超敏反应至关重要。
这些研究表明，CNLs 如 ZAR1 和 Sr35 作为 Ca2+通透离子通道，TNLs 如 RPP1 作为 NAD+水解全酶，它们都依赖效应子诱导的寡聚化触发免疫反应，为作物抗病工程提供了模板。
3. 成对 NLR 相互作用激活植物免疫
植物基因组中有许多 NLR 基因，除单例 NLRs 外，越来越多的成对 NLRs 被发现，包括 TNL、CNL 和截短的 NLR，它们在同一基因簇内（簇内）或不同基因簇间（簇间），对免疫激活至关重要。基于此，提出了传感器 - 执行器模型。
在成对 NLR 系统中，两个 NLR 由同一R基因簇编码，物理相互作用发挥抗性功能。传感器 NLR 通常含模拟效应子靶标的整合结构域识别效应子，执行器 NLR 在传感器 NLR 感知效应子后从相互作用复合物中释放并激活 ETI。
水稻中的 RGA5/RGA4 和 Pik-1/Pik-2 等成对 NLRs，赋予对稻瘟病菌的抗性。RGA5 和 Pik-1 含源自重金属相关（HMA）蛋白结构域的整合结构域，可直接结合病原体效应子。有趣的是，隐性稻瘟病抗性基因pi21也编码含 HMA 结构域的蛋白。此外，将 Pik-1 的内源性 HMA 结构域替换为识别 GFP 或 RFP 的合成纳米抗体，工程化的 NLR 可赋予对标记病毒的抗性，为设计定制免疫受体提供了可能。而 RGA5/RGA4 系统通过负调控发挥作用，RGA4 是组成型激活的辅助 NLR，RGA5 可抑制其活性，效应子识别后抑制解除，RGA4 启动免疫信号传导。
拟南芥的 TNL 对 RPS4 和 RRS1 是功能相互依赖的 NLRs 的典型例子。RRS1 识别效应子 PopP2，其 C 端附近的整合 WRKY 转录因子结构域作为诱饵被效应子靶向。PopP2 对该结构域赖氨酸残基的乙酰化修饰是免疫激活所必需的。RRS1 的 TIR 结构域催化无活性，免疫信号由具有 NAD 酶活性的 RPS4 传导，二者形成预组装的异源二聚体复合物，RRS1 作为效应子传感器，RPS4 作为信号执行器，体现了传感器 NLR 由执行器 NLR “保护” 传导下游免疫信号的功能模式。
4. 成对 NLR 与串联激酶相互作用激活植物免疫
串联激酶蛋白（TKPs）是小麦和大麦中新发现的一类抗病蛋白，由两个或多个串联的激酶结构域组成，能赋予植物对多种病害的抗性，在作物育种中潜力巨大。
研究发现，小麦串联激酶可与 NLR 形成异源寡聚体，赋予对多种真菌病原体的抗性。如小麦茎锈病抗性位点 Sr62，其串联激酶蛋白 Sr62TK在非活性状态下为同源二聚体，识别效应子 AvrSr62 后，N 端激酶释放 C 端假激酶，后者招募 Sr62NLR，启动 NLR 免疫信号传导，与拟南芥 ZAR1/ZED1/PBL2 系统机制相似。
另外，WTN1（即 Sr62NLR）在 Pm24（WTK3）介导的对白粉病的抗性中起关键作用。WTK3 含假激酶片段（PKF）、第一个激酶结构域（Kin I）和第二个激酶结构域（Kin II），PKF 和 Kin I 识别效应子 PWT4，Kin II 与 NLR 蛋白 WTN1 相互作用形成复合物，作为离子通道促进钙离子内流，触发超敏反应和程序性细胞死亡。进化分析表明 WTK3 和 WTN1 在禾本科亚科中共进化。但其他小麦激酶融合蛋白是否需要 NLR 执行器，以及这些执行器是否总是由物理相连的基因编码，仍有待研究。
5. 辅助 NLRs 在复杂免疫网络中的功能
研究表明，部分植物 NLRs 在复杂免疫网络中作为信号组件发挥作用，而非离散的单例或遗传连锁的传感器 - 执行器对。这些网络由多个功能相互关联的 NLRs 组成，传感器 NLRs 感知病原体效应子，辅助 NLRs 介导下游免疫信号传导。
茄科植物中的 NRC（细胞死亡所需的 NLR）家族，包括 NRC2、NRC3 和 NRC4，对多个传感器 NLRs 的功能至关重要。不同传感器 NLRs 的免疫激活可能依赖不同的 NRCs，如传感器 NLR Rx识别马铃薯 X 病毒外壳蛋白需 SlNRC2 和 SlNRC3 介导下游信号传导，NRC4 对多个传感器 NLRs 的活性必不可少。激活后，NRCs 寡聚化形成抗性小体执行免疫反应，如 NRC4 被传感器 NLR Bs2激活后形成六聚体抗性小体，作为钙通透通道启动下游免疫信号传导。此外，肌醇磷酸可调节 NRC2 活性，对 NLR 介导的免疫进行微调。
在拟南芥中，RNL 型辅助 NLRs NRG1 和 ADR1 家族研究较多。ADR1 亚家族成员对 CNLs 型和 TNLs 型传感器 NLRs 实现完全的效应子触发免疫部分或完全必需。EDS1 - PAD4 作为 TNLs 下游的信号模块，ADR1s 是其分子守护者。激活的 TIR 结构域产生的信号分子与 EDS1 - PAD4 结合，促进其与 ADR1 形成免疫信号复合物，激活下游防御反应。水稻中虽无典型 TNL 受体，但 OsTIR 可产生类似信号分子，促进 EDS1 - PAD4 与 ADR1 结合，赋予广谱抗性。
NRG1 亚家族成员在烟草和拟南芥的 TNL 介导免疫反应中起重要作用。功能缺失突变会减弱免疫反应。NRG1s 与 EDS1 - SAG101 异二聚体在同一遗传模块中起作用，EDS1 - SAG101 识别 TIR 结构域 NAD 酶活性产生的信号分子，促进与 NRG1 形成稳定复合物，传导下游免疫信号。NRG1C 是 NRG1 家族的截短成员，过表达可抑制组成型激活 TNLs 相关的自身免疫表型，是 NLR 信号的负调节因子。不过，PRRs 与这些免疫节点的具体作用机制仍有待明确。
6. 结论
过去三十年，在阐释 NLRs 在植物免疫中的功能方面取得了显著进展。高分辨率冷冻电镜结构揭示了传感器 NLRs（尤其是 TNLs 和 CNLs）组装成抗性小体的机制。CNLs 形成钙通透膜通道，TNLs 作为 NAD 酶产生信号分子，激活辅助 RNLs 传播免疫信号。
目前越来越清楚的是，大多数植物 NLRs 在由传感器 NLRs、执行器 NLRs 和辅助 NLRs 组成的综合免疫网络中发挥作用。剖析这些网络中各组件的具体作用，对于理解 NLR 介导的信号传导至关重要，尤其是辅助 NLRs 与传感器 NLRs 如何协作介导效应子触发免疫，这将为构建 NLR 介导免疫的预测模型和可持续作物保护策略提供关键见解。
