植物抗病基因的人工改良設計的視野被拓寬

　　近日，南京農業大學植物保護學院陶小榮教授團隊在植物學知名期刊《Plant Biotechnology Journal》發表題為《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化的策略，篩選鑒定了大量抗病基因突變體，獲得了對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化克服抗病品種的抗性，導致培育的抗病品種失效，甚至產生沒有抗病資源可用的境地，抗病基因人工改良設計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）為代表的植物負義單鏈RNA病毒嚴重危害全球農業生產，僅TSWV每年就造成高達10億美金的經濟損失。來源于秘魯番茄的抗病基因Sw-5b對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抗病品種推廣地區發病率達到50-80%，造成嚴重的經濟損失。目前，對于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的變異進化，使其重新獲得對TSWV變異株系的抗病性？”早在2015年，研究團隊就針對Sw-5b全長蛋白進行大規模的隨機突變，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，研究團隊在抗病蛋白Sw-5b對病毒識別機制研究上接連取得新進展，闡明了Sw-5b不同結構域介導其自抑制與激活狀態的多層調控機制（Chen et al., 2016, New Phytologist）；發現Sw-5b通過識別病毒移動蛋白NSm上一段保守的21個氨基酸短肽，介導了對美洲型番茄斑萎病毒的廣譜抗性（Zhu et al., 2017, Plant Cell）；同時發現 Sw-5b N末端額外結構域SD與C末端LRR結構域在NSm的識別過程中均發揮重要作用，揭示了抗病基因對病原菌一種新的兩步識別機制（Li et al., 2019, Molecular Plant）。

　　基于這些最新的研究進展，課題組改變早期在Sw-5b全長蛋白上盲目的進行隨機突變的方法，采取逐步精準突變的策略：首先在LRR結構域第927位氨基酸位點引入一個自激活突變體，確保C端LRR結構域能夠不受病毒變異的影響正常激活。根據兩步識別機制的原理，在Sw-5bR927A的背景下，只要Sw-5bN末端SD結構域能夠重新識別病毒變異株系，整個抗病蛋白Sw-5b就能夠獲得對TSWV變異株系的抗病性。因此，研究人員進一步專門針對SD結構域進行隨機突變篩選，最終從2000多個突變體中成功篩選獲得了能夠同時識別TSWV野生型以及變異株系的兩個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識別病毒移動蛋白NSm的分子機制改良Sw-5b，為抗病基因的人工改良設計提供了新視野、新思路，同時也為防治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業大學，植物保護學院博士生黃海寧為論文第一作者，陶小榮教授為通訊作者。植物病毒研究團隊朱敏副教授和青年教師李佳博士等人參與了該項研究。研究得到國家自然科學杰出青年基金和重點項目的資助。