综述：共生中的拮抗作用：通过根瘤特异性抗菌肽实现宿主对共生体的控制

这篇前沿综述系统探讨了豆科植物与根瘤菌共生关系中独特的调控机制，重点阐述了NCR（Nodule-specific Cysteine-rich）肽的双重功能：既作为抗菌肽（AMPs）调控共生体分化，又作为宿主控制工具优化固氮效率。文章详细解析了NCRs的进化起源、基因特征、表达调控及其在诱导细菌终端分化（Terminal Differentiation）中的核心作用，并展望了其在抗病原体治疗领域的应用前景，为设计高效固氮系统提供了新视角。

　　

1 引言——共生关系中的抗菌肽

豆科植物通过分泌富含半胱氨酸的抗菌肽（AMPs）构建了与固氮根瘤菌的独特共生关系。其中专属于根瘤器官的结节特异性半胱氨酸丰富肽（NCRs）通过复制祖先防御素样AMPs进化而来，保留着4-6个（偶尔8-10个）保守半胱氨酸形成的二硫键稳定结构。目前NCRs仅在缺乏反向重复序列分支（IRLC）的豆科植物中发现，包括苜蓿、豌豆和三叶草等典型物种。在模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中，NCRs通过修饰的抗菌机制改变类菌体生理状态，将其转化为固氮的细胞器样结构。

2 NCR肽生物学

2.1 进化起源与结构特征

NCRs及其在黄檀分支（Dalbergioid）中的类似肽与防御素共享高度保守的基因结构：通常包含两个外显子，被位于第一个半胱氨酸密码子前的内含子分隔。半胱氨酸残基形成的关键二硫桥按其特定模式结构可分为：A组（4个半胱氨酸）、B组（6个半胱氨酸）和C组（超过6个半胱氨酸）。大多数NCR和NCR样基因属于A组和B组，而防御素倾向于C组模式。所有模式组均形成高度保守的三级结构，为多样性共生功能奠定基础。

2.2 生化特性与多样性

NCRs、黄檀类似肽和防御素可通过直接影响生化功能的关键理化性质区分。所有形式均为小分子（24-67个氨基酸），但NCRs净电荷范围从强阴离子（pI < 4.5）到强阳离子（pI > 9.5）。这种电荷变异性与机制多样性相关：阳离子NCRs（如MtNCR247、MtNCR335）表现出类似防御素的膜破坏活性，而阴离子NCRs（如MtNCR169）促进铁运输和代谢。NCRs三级结构缺乏特征性α-螺旋防御素 motif，反而在C末端区域呈现β-折叠排列，具有大部分非结构化的N末端。

3 NCR基因表达与调控

3.1 模型系统中的表达模式

在蒺藜苜蓿中，NCR基因家族估计超过700个成员，其中许多对成功共生固氮至关重要。反向遗传学研究确定MtNCR343和MtNCR-new35是维持有效共生表型的必需基因。时间因素强烈影响至少部分MtNCR基因的表达模式，新证据表明至少45个NCRs受昼夜节律控制，其转录在傍晚和深夜/清晨达到峰值。

3.2 非模式豆科植物的表达模式

在红三叶草（Trifolium pratense）中，研究人员鉴定了460个推定的NCRs，确认其中425个表达。与蒺藜苜蓿相比，红三叶草具有显著更高比例的阳离子肽（32% vs 15%）。对黄花草木樨（Melilotus officinalis）和紫花苜蓿（Medicago sativa）的转录组分析显示，NCR转录本约占所有检测到的根瘤转录本的9%。

3.3 宿主介导的调控

新发现揭示了NCR活性与整体植物调控回路之间的联系。在调查蒺藜苜蓿基因组中表观遗传调控时，发现包括380个MtNCRs、豆血红蛋白、共生免疫反应调节剂、氧化还原控制蛋白和长链非编码RNA在内的基因集在根瘤中处于低差异化甲基化区域（hypo-DMRs）。最近首次报道了1型AT-钩 motif核定位（AHL）转录因子家族中的顺式作用根瘤特异性DNA结合蛋白，该蛋白是MtNCR169基因表达所必需的。

3.4 共生体介导的调控

豆科植物的某些细菌伴侣具有编码宿主范围限制肽酶（HrrP）的辅助质粒，可在共生过程中切割并灭活NCRs。研究显示，蒺藜苜蓿的共生伙伴苜蓿中华根瘤菌（Ensifer meliloti）表达一种金属肽酶HrrP同源物，命名为共生相关肽酶（sap）基因，其酶产物SapA在体外切割MtNCR035。从进化角度看，hrrP在苜蓿中华根瘤菌野生种群中的存在对伴侣适应性具有广泛影响。

4 进化基因组学与基因家族动态

4.1 IRLC内NCR基因的进化

对豌豆（Pisum sativum L.）高质量基因组的分析揭示了360个PsNCR基因，其中154个为新发现。豌豆NCRs主要遵循与蒺藜苜蓿相同的模式：A组含4个半胱氨酸，B组含6个半胱氨酸，均由一个内含子分隔的两个外显子组成。信号肽处于稳定选择中，而成熟肽在种内处于中性选择，在品种间处于多样化选择。

4.2 IRLC外的NCR基因进化

在IRLC之外，虽然不存在典型NCRs，但在田菁属（Aeschynomene，黄檀类）中，先前描述的具有B组和C组半胱氨酸模式的NCR样肽可诱导更高效的球形根瘤。研究表明，与固氮放线菌根瘤特异性防御素（ANDs）的系统发育分析显示它们处于同一单系亚支中，支持结节特异性防御素实际上存在于整个结瘤植物中的观点。

4.3 协同进化动态与冲突

生物相互作用施加的强大持续选择压力长期以来被认为推动种群内和种群间的分子进化。NCRs和其他结节表达的小信号肽的高度多样性和快速基因家族扩展/转换与宿主和共生体间拮抗和合作动态的协同进化平衡一致。豆科植物宿主和根瘤菌之间的冲突可能出现在关系的许多方面，作为性状最佳表达差异的结果。

5 功能研究与应用

5.1 NCR作用机制

"工作平衡"假说为理解共生中NCR机制提供了关键框架。该假说认为适度的NCR活性优化互利关系，而过量或不足的NCR水平可能损害双方伙伴。NCRs通过多样化机制实现这种平衡，超越简单的抗菌杀伤。与某些抗生素不同，AMPs具有广泛的作用范围，既可作为杀死病原体的直接方法，也可作为其他通常无法穿过微生物目标膜的化合物的输送系统。

5.2 植物病原体控制的NCRs

几种NCRs已评估其对植物真菌和细菌病原体的抗菌活性。全面分析显示MtNCR044抑制灰霉病菌（Botrytis cinerea）、禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）、尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）和北美镰刀菌（Fusarium virguliforme）的生长。用重组MtNCR044挑战灰霉病菌萌发体时，30分钟内显示膜透化迹象，120分钟后达到峰值。

5.3 人类病原体控制的NCRs

针对抗菌耐药人类病原体的AMPs疗法开发促使寻找天然AMP库。NCRs因其小尺寸、多种AMP机制和低人类细胞毒性而成为肽疗法的良好候选。NCRs和NCR衍生物促进了我们对抗菌活性结构或化学来源及其杀死或阻止微生物生长机制的整体理解。抗菌研究的重点是ESKAPE病原体，指一组产生多药耐药性的人类病原体：屎肠球菌（Enterococcus faecium）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肠杆菌属（Enterobacter spp.）。

5.4 NCR生物技术应用的当前限制

尽管初步结果令人鼓舞，但几个瓶颈限制了NCRs作为生物农药的农业应用。肽在田间条件下的稳定性仍然是主要关注点，因为NCRs易受植物和微生物蛋白酶、紫外线辐射和极端pH条件降解。递送机制也需要优化。

6 未来方向

6.1 基础研究重点

虽然在理解豆科植物NCRs生物学和进化方面取得了很大进展，但几个开放性问题值得进一步研究。我们仍然缺乏将特定NCRs生化特性与其在共生中对根瘤菌影响联系起来的预测框架。此外，NCR数量和多样性与其在植物体内功能性的关系令人感兴趣但尚未得到很好解释。时间和组织特异性表达与氮状态信号传导以及潜在NCR调控共生固氮和营养交换的联系值得进一步研究。

6.2 应用研究与转化机会

从应用角度看，NCRs呈现出一系列抗菌特性，可用于解决植物和动物系统中的抗菌耐药病原体。NCRs短小、稳定，并在体内外对来自不同生命分支的植物和人类病原体展示抗菌作用。当前研究支持使用植物AMPs进行作物保护、采后处理和安全食品储存。用于治疗人类感染的天然和合成AMPs处于多个临床试验阶段。