《Advanced Science》：Precision Editing of NLRS Improves Effector Recognition for Enhanced Disease Resistance
编辑推荐：
本文系统综述了植物NLR免疫受体精准编辑策略的最新进展，重点探讨了错配配对、结构域交换和靶向诱变三种工程化方法在增强病原体识别广度、克服效应子抑制及优化免疫信号调控方面的分子机制与应用前景。文章通过水稻Pik系统、马铃薯I2基因和NRC2辅助受体等案例，展示了如何通过结构生物学指导的理性设计扩展作物对真菌、卵菌和线虫等病原体的持久抗性，同时强调了避免自身免疫和产量损失的关键平衡点。
植物免疫系统的精密工程：NLR受体编辑引领抗病育种新时代
植物病害每年导致全球农作物产量损失高达20%–80%，对粮食安全构成严重威胁。植物进化出由核苷酸结合、富亮氨酸重复序列免疫受体（NLR）介导的效应子触发免疫（ETI）系统，通过识别病原体效应子激活超敏反应（HR）等防御机制。近年来，随着结构生物学和基因编辑技术的突破，NLR的精准工程已成为增强作物抗病性的前沿领域。
NLR的结构基础与激活机制
NLR属于STAND AAA+ ATP酶超家族，其典型结构包括N端 coiled-coil（CC）或Toll/白介素-1受体（TIR）结构域、中央核苷酸结合（NB）结构域和C端富亮氨酸重复（LRR）结构域。其中，LRR结构域负责效应子识别，NB结构域通过ADP/ATP交换实现分子开关功能，而N端结构域则参与下游信号传导。近期冷冻电镜研究揭示了ZAR1等NLR形成五聚体“抵抗体”的精细构象变化：效应子识别引发ADP释放，Winged-helix结构域发生约80°旋转，进而驱动ATP依赖的寡聚化（图1c）。此外，TIR结构域具有NADase活性，可产生2'环状ADP-核糖（2′-cADPR）等信号分子，通过EDS1-PAD4-ADR1复合物放大免疫信号。
精准编辑的三大策略
- 1.
错配NLR配对
通过理性组合不同等位基因的传感器-辅助受体对（如水稻Pik-1/Pik-2），可显著扩展效应子识别谱。例如，将Pikp-1的HMA结构域与Pikm-2配对，能同时识别AVR-PikD、AVR-PikE和AVR-PikF三种效应子变体。关键位点（Asp230Glu、Thr434Ser、Met627Val）的突变通过调节传感器-辅助受体界面稳定性，实现广谱识别且自身免疫风险低于5%。
- 2.
结构域交换
针对病原体通过效应子（如SS15）抑制辅助受体NRC2的策略，研究人员将NRC4中天然抗性相关的Glu316Pro/Asp317Lys突变引入NRC2，成功阻断效应子结合。结构分析显示，D317K突变通过电荷排斥作用使SS15结合效率降低90%，并在马铃薯转基因体系中恢复了对Phytophthora infestans的抗性。
- 3.
靶向诱变
单氨基酸替换可精准调控识别特异性。马铃薯I2受体中I141N突变（异亮氨酸→天冬酰胺）通过改变CC结构域静电表面，使其同时识别AVR3aKI和AVR3aEM变体。水稻RGA5的HMA结构域β2/β3片层定向进化实验表明，9个关键残基突变可使AVR-PikD结合亲和力达到nM级别。
工程化NLR的农业应用挑战
尽管工程化NLR在温室试验中可降低75%–85%的病害发生率，但田间部署仍面临三大挑战：一是免疫激活与产量负相关的平衡问题，组成型激活突变体可能导致5%–10%的产量损失；二是病原体快速进化可能通过效应子变异逃逸识别；三是多基因叠加策略的转基因生物安全评价复杂性。最新解决方案包括：利用AlphaFold3预测受体-效应子互作界面，通过机器学习优化突变组合；开发Pikobody技术将纳米抗体与NLR信号域融合，实现模块化设计；建立田间耐久性监测网络，实时追踪病原体群体进化。
未来展望
随着蛋白质语言模型能够模拟亿年级进化轨迹，以及CRISPR-Prime编辑效率提升至95%，NLR工程正从单一基因改造向系统免疫网络设计迈进。通过整合表观遗传调控、细胞特异性表达等策略，有望最终实现作物对多种病原体的持久、广谱抗性，为可持续农业提供新型解决方案。
