2025年9月12日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院朱旺升研究團隊在國際期刊Nature Plants在線發(fā)表題為“An apoplastic fungal effector disrupts N-glycosylation of ZmLecRK1, inducing its degradation to suppress disease resistance in maize"的研究論文。本文借助糖基化修飾鑒定技術(shù)，揭示了禾谷鐮孢菌的一種“胞外效應(yīng)子"FgLPMO9A，它可直接靶向胞外免疫受體ZmLecRK1的N-糖基化修飾，促使該受體發(fā)生自噬降解，進而抑制玉米的抗病性。藍景科信為該研究提供了糖基化修飾鑒定檢測技術(shù)支持。

研究背景

禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）是子囊菌門的一種世界性分布的絲狀真菌病原體，是引起小麥、大麥、玉米等主要糧食作物赤霉病和穗腐病的首要病原菌。質(zhì)外體（植物細胞間隙區(qū)域）是植物-病原體互作的核心場所，植物通過胞外免疫受體（如類受體激酶）識別病原菌表面的“入侵信號"（病原菌相關(guān)分子模式，PAMPs），激活免疫反應(yīng)（PAMP觸發(fā)的免疫，PTI），抵御病原菌入侵。病原體分泌效應(yīng)子來抑制植物的免疫反應(yīng)。目前對胞內(nèi)效應(yīng)子介導(dǎo)的免疫抑制機制研究較深入，但質(zhì)外體中發(fā)揮作用的“胞外效應(yīng)子"是否直接靶向胞外免疫受體仍不明確。

團隊此前已發(fā)現(xiàn)，玉米中的G型凝集素類受體激酶ZmLecRK1是重要的免疫“哨兵"，能通過調(diào)控活性氧爆發(fā)和細胞壁代謝，抵御多種病原菌入侵。但奇怪的是，它對禾谷鐮孢菌卻“失效"了。團隊推測，禾谷鐮孢菌可能分泌了特定效應(yīng)子，專門“沉默"ZmLecRK1的免疫功能——這一猜想，成為了本次研究的起點。

核心發(fā)現(xiàn)一：鎖定病原菌的關(guān)鍵——效應(yīng)子FgLPMO9A

為找到禾谷鐮孢菌抑制ZmLecRK1的“元兇"，團隊通過蛋白互作篩選，從禾谷鐮孢菌分泌的蛋白中，鑒定出一個關(guān)鍵胞外效應(yīng)子——FgLPMO9A。

FgLPMO9A屬于多糖單加氧酶家族（LPMO），這類蛋白原本被認為主要功能是分解植物細胞壁的多糖（如纖維素），幫助病原菌穿透植物組織。但本研究發(fā)現(xiàn)，它還有一個“隱藏技能"——作為效應(yīng)子抑制植物免疫。

通過基因敲除實驗，團隊證實：

- 敲除FgLPMO9A的禾谷鐮孢菌（Δfglpmo9a）對玉米的致病性顯著減弱，接種后玉米莖稈的病斑長度大幅縮短；

- 而當(dāng)把這種“減毒"病原菌接種到ZmLecRK1基因缺失的玉米突變體（zmlecrk1）上時，病原菌的致病性又恢復(fù)。

這一結(jié)果清晰表明：FgLPMO9A是禾谷鐮孢菌突破玉米免疫的關(guān)鍵，且其作用靶點正是玉米免疫受體ZmLecRK1。

圖1 禾谷鐮孢菌分泌FgLPMO9A以特異性抑制玉米中ZmLecRK1介導(dǎo)的抗性。

核心發(fā)現(xiàn)二：效應(yīng)子如何“精準打擊"免疫受體，瓦解細胞防御

找到后，團隊進一步解析了FgLPMO9A攻擊ZmLecRK1的分子機制，發(fā)現(xiàn)其通過“精準結(jié)合+破壞修飾"，讓ZmLecRK1“失效"。

1. 第一步：鎖定ZmLecRK1的“致命位點"

ZmLecRK1的胞外結(jié)構(gòu)域包含三個功能區(qū)：B型凝集素結(jié)構(gòu)域、S位點糖蛋白結(jié)構(gòu)域（S-domain）和PAN結(jié)構(gòu)域。通過蛋白互作實驗和AlphaFold3結(jié)構(gòu)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)：

- FgLPMO9A會特異性結(jié)合ZmLecRK1的S結(jié)構(gòu)域，且關(guān)鍵結(jié)合位點是S結(jié)構(gòu)域上的Y294；

- 若將ZmLecRK1的Y294突變?yōu)閅294A，F(xiàn)gLPMO9A就無法與其結(jié)合，也不能再抑制ZmLecRK1介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。

這意味著，Y294是ZmLecRK1被FgLPMO9A結(jié)合的“致命位點"。

圖2 FgLPMO9A與ZmLecRK1 S結(jié)構(gòu)域的Y294相互作用以抑制其活性。

2. 第二步：破壞糖基化修飾，觸發(fā)受體降解

蛋白質(zhì)的N-糖基化修飾（在特定天冬酰胺殘基上添加糖鏈）是維持蛋白穩(wěn)定性和功能的關(guān)鍵“開關(guān)"。團隊發(fā)現(xiàn)，體外糖基化質(zhì)譜分析結(jié)果表明，F(xiàn)gLPMO9A結(jié)合ZmLecRK1后，會利用其多糖單加氧酶活性，破壞ZmLecRK1胞外結(jié)構(gòu)域上第341位天冬酰胺（N341）的N-糖基化修飾。

更關(guān)鍵的是，N341的糖基化被破壞后，玉米細胞會啟動“自噬降解通路"，通過自噬受體NBR1將失活的ZmLecRK1“回收銷毀"——相當(dāng)于FgLPMO9A不僅“繳械"了ZmLecRK1，還觸發(fā)了玉米自身的“垃圾處理系統(tǒng)"，清除這個免疫受體。

通過抑制劑實驗驗證：當(dāng)用自噬抑制劑（3-MA）或液泡降解抑制劑（ConA）處理時，ZmLecRK1的降解被顯著抑制，其免疫功能也得以恢復(fù)，進一步證實了FgLPMO9A通過“破壞糖基化+誘導(dǎo)自噬降解"雙重機制抑制ZmLecRK1。

圖3 FgLPMO9A介導(dǎo)ZmLecRK1自噬降解。

圖4 FgLPMO9A破壞ZmLecRK1中N341的N-糖基化以抑制玉米的抗病性。

核心發(fā)現(xiàn)三：單點突變讓玉米獲得“抗病超能力"

既然N341的糖基化修飾是FgLPMO9A攻擊ZmLecRK1的“關(guān)鍵靶點"，那么能否通過基因編輯讓ZmLecRK1避開這種攻擊？

團隊做了一個關(guān)鍵實驗：將ZmLecRK1的N341突變?yōu)镹341Q——這種突變會模擬N-糖基化缺失的狀態(tài)，但不會被FgLPMO9A識別和破壞。結(jié)果令人振奮：

- 攜帶ZmLecRK1-N341Q的玉米，在接種禾谷鐮孢菌后，病斑面積比野生型玉米減少約40%，病原菌生物量顯著降低；

- FgLPMO9A無法再降解ZmLecRK1-N341Q，其介導(dǎo)的免疫反應(yīng)（如活性氧爆發(fā)）得以完整保留。

這一結(jié)果表明，ZmLecRK1的N341Q突變是一個理想的抗病靶點——僅需對單個氨基酸進行編輯，就能讓玉米獲得對禾谷鐮孢菌的廣譜抗性，且不影響ZmLecRK1對其他病原菌的抗性（因其他抗性相關(guān)位點未被改變）。

研究意義

朱旺升團隊的這項研究，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)層面打破了人們對胞外效應(yīng)子功能的傳統(tǒng)認知，揭示了“病原菌胞外效應(yīng)子-植物胞外免疫受體-自噬降解"的全新互作通路，更在農(nóng)業(yè)應(yīng)用層面提供了抗病育種策略：

1. 精準育種靶點：通過基因編輯（如CRISPR）將玉米ZmLecRK1的N341突變?yōu)镼，可快速培育抗赤霉病的玉米新品種，且無需引入外源基因，符合現(xiàn)代生物育種的發(fā)展方向；

2. 廣譜抗病思路：FgLPMO9A在多種鐮孢菌中高度保守（如尖孢鐮孢菌、輪枝鐮孢菌），這一機制可能適用于其他作物（如小麥、大豆）的鐮孢菌病害，為跨作物抗病研究提供參考；

3. 免疫機制拓展：證實自噬通路參與植物胞外免疫受體的降解調(diào)控，為解析植物免疫穩(wěn)態(tài)維持機制提供了新視角。