植物识别根瘤菌机制被破解，通过合成生物学可改造非豆科植物进行固氮！

来源：iPlants

植物通过编码赖氨酸基序（LysM）受体以识别微生物激发子近而驱动细胞内信号传导调控微生物的定植。2020年8月7日，《Science》杂志在线发表了来自丹麦奥尔胡斯大学Simona Radutoiu和Kasper R. Andersen研究组题为“Ligand-recognizing motifs in plant LysM receptors are major determinants of specificity”的研究论文。

该研究以豆科模式植物百脉根为研究材料在关于赖氨酸基序（LysM）受体如何特意识别特意配体的研究中取得重大进展。该研究为在非豆科植物中进行受体改造从而使其能识别根瘤菌提供了重要的理论指导。

在病原菌侵染过程中几丁质（Chitin）往往作为信号分子被赖氨酸基序（LysM）受体所（例如CERK1）识别从而激活植物免疫反应。在根瘤菌与豆科植物建立共生关系的过程中根瘤菌分泌的信号分子（结瘤因子）同样被被赖氨酸基序（LysM）受体（结瘤因子受体）所识别。例如在百脉根中识别几丁质参与免疫反应的受体是CERK6，识别结瘤因子参与固氮共生信号受体是NFR1，而且二者的蛋白结构极为相似。那么植物是怎么通过不同的受体精确的识别各自的配体的呢？赖氨酸基序（LysM）受体通常在胞外存在3个串联赖氨酸基序，本研究中发现其第一个赖氨酸基序（LysM1）中的识别基序是受体特异性的主要决定因素。

首先作者通过在CERK6与NFR1两个受体之间进行胞外结构域（赖氨酸基序）与胞内结构域（蛋白激酶结构域）互换。互换后用相应的嵌合体蛋白（chimeras protein）其互补nfr1突变体的结瘤表型（根瘤数目，nfr1突变体不能结瘤）与cerk6突变体的免疫表型（活性氧水平）。结果发现只要是嵌合体蛋白的胞外域来自NFR1其就能互补nfr1突变体不结瘤的表型（图1）。但是要完全互补cerk6突变体的免疫表型不仅需要其胞外结构域，其激酶域同样重要（图1）。总之，LysM胞外域对于结瘤和免疫是至关重要。

图1，结合体受体蛋白对几丁质和结瘤因子因子识别 

因为赖氨酸基序（LysM）受体通常在胞外存在3个串联赖氨酸基序（LysM1，LysM2，LysM3），在确定了LysM胞外域对于结瘤和免疫是至关重要后。作者近一步在三个赖氨酸基序之间进行相互调换发现对结瘤因子和几丁质的选择性是由LysM1域所决定。为了近一步剖析LysM1中哪些元素对于NFR1和CERK6功能很重要，作者确定了四个具有实质性序列差异的结构区域（I to IV），并再次对不同区域进行了调换。实验结构表明第II 区和第 IV区是受体功能所必需的（图2）。为近一步证实这个结果作者同时在不同来源的结瘤因子受体（百脉根的NFR1域苜蓿的LYK3）之间同样同样进行了分析，实验结果同样表明了受体LysM1第II 区和第 IV区的必须性（图2）。为了更加清楚的在分子水平解析赖氨酸基序识别配体的特异性，作者获得了LYK3蛋白胞外域的晶体结构对重要保守氨基酸进行了分析。

图2，LysM1中的两个区域是几丁质和结瘤因子识别所必需

近一步作者通过对不同受体（NFR1与LYK3）进行工程改造近而改变受体识别结瘤因子的特异性，在该实验过程中发现LysM1中的第III在不同豆科作物中是变化的可能起到建立物种特异性的作用。最终作者尝试重新编程CERK6受体以识别结瘤因子介导结瘤过程（图3）。

图3，对CERK6，NFR1和LYK3的工程改造

综上所述，该研究以豆科模式植物百脉根为研究材料在关于赖氨酸基序（LysM）受体如何特意识别特意配体的研究中取得重大进展。该研究为在非豆科植物中进行受体改造从而使其能识别根瘤菌提供了重要的理论指导。