保障粮食供给事关国家安全和发展大局。当前形势下，病虫害的频繁爆发导致农作物减产和品质下降，威胁国家粮食安全。化学农药的使用也加剧了对生态环境的破坏。解析植物免疫调控的分子机制、寻找绿色安全的病害防治方法是植物免疫学领域的一个重要研究课题。

北京时间2024年11月8日凌晨3点，国际学术期刊Science以First Release的形式在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心万里研究团队题为“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling“的研究论文。该研究发现，拟南芥的TIR-NLR免疫受体和细菌的TIR免疫受体均可生成小分子2’cADPR作为pRib-AMP的前体，诱导形成大型的免疫蛋白复合体来介导免疫和抗病性。研究还表明，2’cADPR处理植物即可诱导很强的免疫反应和抗病性，所以有望开发成为新型“生物农药”。

植物免疫系统主要由细胞表面受体介导的PTI和细胞内受体介导的ETI组成。PTI主要指由细胞膜上受体感知病原微生物产生的病原相关分子模式以诱导免疫反应从而抵御微生物入侵，ETI指细胞内受体识别病原微生物分泌到细胞内的效应因子，阻断其对PTI免疫反应的抑制并引发侵染部位细胞死亡以抵御病原菌感染，二者协同调控植物对病原微生物的抗性。植物抗病相关分子模块EDS1-PAD4-ADR1在植物PTI和ETI免疫反应中发挥重要作用。

在TIR蛋白引起的ETI免疫反应中，含有TIR结构域的受体蛋白（TNLs和TIR only）发挥其自身的NAD⁺水解酶活性，产生小分子信号物质pRib-AMP/ADP以及2’cADPR。这些信号分子如何调控EDS1-PAD4-ADR1模块，影响植物免疫反应还有待深入研究。

研究人员通过结构生物学方法解析了由植物TIR蛋白激活的EDS1-PAD4-ADR1蛋白复合物结构。发现植物TIR产生的pRib-AMP/ADP被EDS-PAD4结合后引发后者蛋白构象发生变化，促进与ADR1形成EDS1-PAD4-ADR1复合物，诱导植物免疫反应。进一步研究发现能产生2’cADPR的细菌TIR蛋白HopBY和AbTir^TIR也能够诱导EDS1-PAD4-ADR1复合物的形成并激活免疫功能，但产生3’cADPR的细菌TIR蛋白 HopAM1和AaTir^TIR却不没有这样的效果。通过高分辨质谱和结构生物学方法进一步分析表明，这些产生2’cADPR的细菌TIR蛋白也是利用小分子pRib-AMP诱导EDS1-PAD4-ADR1复合物的形成，因此推测在细胞内2’cADPR可能是pRib-AMP的前体物质。通过一系列生理生化实验发现，2’cADPR能够在植物细胞内转化为pRib-AMP。RNAseq实验表明2’cADPR处理拟南芥叶片能够诱导类似于植物ETI免疫响应的基因表达变化。2’cADPR直接处理植物可提高植物对丁香假单胞菌DC3000(D36E)的抗性。因此，2’cADPR处理植物即可诱导类似于ETI的强抗病性，实现了人为可控地激活植物的ETI免疫反应。相对于pRib-AMP，2’cADPR性质更稳定，适合开发成为激发农作物广谱抗病性的新型“生物农药”。此外，细菌的TIR蛋白通过产生2’cADPR激活植物的ETI免疫反应，这也暗示植物和细菌免疫通路存在交互。

来自何祖华院士及其合作者同期的Science研究论文也指出，水稻中OsTIR蛋白能够通过产生pRib-AMP诱导水稻EDS1-PAD4-ADR1复合物的形成并提高植物对多种病原菌的抗性。因此，这种通过小分子和蛋白复合体调控植物抗病性的机制在不同植物中具有保守性。

由TIR蛋白介导的ETI免疫反应在植物免疫和农业抗性育种中发挥着极其重要的作用。本研究深入解析了植物免疫受体的工作机理，有助于进一步研究植物免疫受体的人工定向改造，从而有效解决植物病虫害问题。植物来源的2’cADPR具有相对较好的安全性，所以适合开发作为激发农作物广谱抗病性的新型“生物农药”，降低化学农药使用带来的安全和环境问题。这一成果对促进我国农业绿色可持续发展、保护生态环境和保障粮食安全具有重要的意义。

分子植物卓越中心博士研究生于华、徐炜莹和陈思思为论文的共同第一作者，万里研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员的合作和支持。同时，该研究工作得到国家重点研发计划、植物性状形成与塑造重点实验室（中国科学院）、国家自然科学基金面上项目和中国科学院先导项目等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adr3150

TIR蛋白产生2’cADPR并被转化为pRib-AMP诱导EPA复合体激活植物免疫反应