通過合成生物學(xué)可改造非豆科植物進(jìn)行固氮（2020.8.8 iPlants）

植物通過編碼賴氨酸基序（LysM）受體以識別微生物激發(fā)子近而驅(qū)動細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)調(diào)控微生物的定植。2020年8月7日，《Science》雜志在線發(fā)表了來自丹麥奧爾胡斯大學(xué)Simona Radutoiu和Kasper R.Andersen研究組題為“Ligand-recognizing motifs in plant LysM receptors are major determinants of specificity”的研究論文。

該研究以豆科模式植物百脈根為研究材料在關(guān)于賴氨酸基序（LysM）受體如何特意識別特意配體的研究中取得重大進(jìn)展。該研究為在非豆科植物中進(jìn)行受體改造從而使其能識別根瘤菌提供了重要的理論指導(dǎo)。

在病原菌侵染過程中幾丁質(zhì)（Chitin）往往作為信號分子被賴氨酸基序（LysM）受體所（例如CERK1）識別從而激活植物免疫反應(yīng)。在根瘤菌與豆科植物建立共生關(guān)系的過程中根瘤菌分泌的信號分子（結(jié)瘤因子）同樣被被賴氨酸基序（LysM）受體（結(jié)瘤因子受體）所識別。例如在百脈根中識別幾丁質(zhì)參與免疫反應(yīng)的受體是CERK6，識別結(jié)瘤因子參與固氮共生信號受體是NFR1，而且二者的蛋白結(jié)構(gòu)極為相似。那么植物是怎么通過不同的受體精確的識別各自的配體的呢？賴氨酸基序（LysM）受體通常在胞外存在3個串聯(lián)賴氨酸基序，本研究中發(fā)現(xiàn)其第一個賴氨酸基序（LysM1）中的識別基序是受體特異性的主要決定因素。

首先作者通過在CERK6與NFR1兩個受體之間進(jìn)行胞外結(jié)構(gòu)域（賴氨酸基序）與胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（蛋白激酶結(jié)構(gòu)域）互換?；Q后用相應(yīng)的嵌合體蛋白（chimeras protein）其互補nfr1突變體的結(jié)瘤表型（根瘤數(shù)目，nfr1突變體不能結(jié)瘤）與cerk6突變體的免疫表型（活性氧水平）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要是嵌合體蛋白的胞外域來自NFR1其就能互補nfr1突變體不結(jié)瘤的表型。但是要完全互補cerk6突變體的免疫表型不僅需要其胞外結(jié)構(gòu)域，其激酶域同樣重要?？傊?，LysM胞外域?qū)τ诮Y(jié)瘤和免疫是至關(guān)重要。

因為賴氨酸基序（LysM）受體通常在胞外存在3個串聯(lián)賴氨酸基序（LysM1，LysM2，LysM3），在確定了LysM胞外域?qū)τ诮Y(jié)瘤和免疫是至關(guān)重要后。作者近一步在三個賴氨酸基序之間進(jìn)行相互調(diào)換發(fā)現(xiàn)對結(jié)瘤因子和幾丁質(zhì)的選擇性是由LysM1域所決定。為了近一步剖析LysM1中哪些元素對于NFR1和CERK6功能很重要，作者確定了四個具有實質(zhì)性序列差異的結(jié)構(gòu)區(qū)域（I to IV），并再次對不同區(qū)域進(jìn)行了調(diào)換。實驗結(jié)構(gòu)表明第II區(qū)和第IV區(qū)是受體功能所必需的。為近一步證實這個結(jié)果作者同時在不同來源的結(jié)瘤因子受體（百脈根的NFR1域苜蓿的LYK3）之間同樣同樣進(jìn)行了分析，實驗結(jié)果同樣表明了受體LysM1第II區(qū)和第IV區(qū)的必須性。為了更加清楚的在分子水平解析賴氨酸基序識別配體的特異性，作者獲得了LYK3蛋白胞外域的晶體結(jié)構(gòu)對重要保守氨基酸進(jìn)行了分析。

近一步作者通過對不同受體（NFR1與LYK3）進(jìn)行工程改造近而改變受體識別結(jié)瘤因子的特異性，在該實驗過程中發(fā)現(xiàn)LysM1中的第III在不同豆科作物中是變化的可能起到建立物種特異性的作用。最終作者嘗試重新編程CERK6受體以識別結(jié)瘤因子介導(dǎo)結(jié)瘤過程。

綜上所述，該研究以豆科模式植物百脈根為研究材料在關(guān)于賴氨酸基序（LysM）受體如何特意識別特意配體的研究中取得重大進(jìn)展。該研究為在非豆科植物中進(jìn)行受體改造從而使其能識別根瘤菌提供了重要的理論指導(dǎo)。