茄科作物抗病蛋白Sw-5b监测番茄斑萎病毒的诱饵新机制

Plant intracellular nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) immune receptors play critical roles in pathogen surveillance. The recognition of pathogen-derived effectors by immune receptors is critical for the activation of plant immune responses. Based on the previous study that the Sw-5b NTD1 (1-194aa) shared amino acid sequence identity and structure similarity with guanine exchange factor (GEF), we propose that TSWV may highjack GEF host factor to promote the infection, and Sw-5b evolved a GEF-like domain as bait to recognize the TSWV NSm protein. Thus, this project aims to understand how Sw-5b recognises the movement protein NSm of tospovirus in molecular detail. Two main research lines are pursued in this project. First, we focus on the identification of compatibility/susceptibility genes by screening for host protein targets that are manipulated by virus effector NSm. The second line is the interaction between Sw-5b NTD1 domain and TSWV NSm. We plan to purify the Sw-5b NTD1/NSm complex protein and solve the crystal structure. The results are expected to reveal the decoy mechanism of tomato immune receptor protein Sw-5b recognizing tomato spotted wilt virus, and expand our understanding on the role of non-canonical domain of plant NLRs in pathogen recognition and defense.

植物免疫受体蛋白如何精准感知病原物入侵是植物启动免疫系统的关键环节，本项目前期工作发现番茄抗病蛋白Sw-5b N-末端1-194位氨基酸区域（NTD1）与GTPase核苷酸交换因子（GEF）具有氨基酸序列和三维结构上的同源性，结合当前植物免疫受体识别病原物效应蛋白的前沿进展，我们推测番茄斑萎病毒是否劫持植物中的GEF寄主因子来促进病毒的侵染？而Sw-5b为了对抗病毒的侵染则进化出一个GEF同源结构域作为诱饵蛋白来监测病毒的入侵，进而启动免疫反应。本项目拟筛选与番茄斑萎病毒移动蛋白NSm互作的GEF类寄主因子，并探明其在病毒侵染过程中的作用，揭示番茄斑萎病毒通过劫持GEF寄主因子的致病机制；同时解析Sw-5b NTD1与NSm的互作关系及结构基础，进一步探明Sw-5b NTD1的生化特性及功能，揭示Sw-5b通过整合与寄主因子同源结构域作为诱饵蛋白监测病毒入侵的新机制。

植物核苷酸结合和亮氨酸重复受体蛋白在识别病原菌效应蛋白和激活植物免疫系统的过程中发挥关键作用。番茄免疫受体蛋白Sw-5b是卷曲螺旋类型的免疫受体蛋白，对番茄斑萎病毒（TSWV）具有良好的抗病性。与其他经典的卷曲螺旋类型的免疫受体蛋白相比，Sw-5b N末端具有额外的茄科特有结构域SD（Solanaceae domain）。本项目利用生物化学、病毒学、遗传学等实验技术手段，揭示了番茄抗病蛋白Sw-5b对TSWV一种新的识别机制，研究发现在植物免疫系统监测病毒入侵时， Sw-5b通过N末端SD结构域和C末端NB-LRR结构域两步识别病毒移动蛋白NSm，且两步识别机制能显著增强植物免疫系统对病毒入侵的监测能力。项目进一步通过蛋白质晶体学研究，表达纯化了SD结构域1-245位氨基酸的蛋白片段，并开展了其晶体学研究。基于上述基础研究工作的进展，本项目进一步深入开展了筛选鉴定Sw-5b抗病基因突变体的工作，采用逐步人工进化的策略，最终获得了对TSWV田间抗性突破株系具有良好抗病作用的Sw-5b抗病基因新材料：Sw-5bL33P/K319E/R927A和Sw-5bL33P/K319E/R927Q。同时也对潜在病毒变异株系进行了系统筛选，首次发现两种能够突破抗病基因Sw-5b抗性的新型抗性突破型TSWV毒株，并评估了改良版Sw-5b对两种新病毒株的抗病性。本项目研究揭示了植物免疫受体蛋白对TSWV的识别机制，同时巧妙的利用Sw-5b识别病毒移动蛋白NSm的分子机制改良Sw-5b，为抗病基因的人工改良设计提供了新视野、新思路，同时也为防治TSWV田间变异株系积累了宝贵的抗病基因资源。