撰文 | Jenny

責編 | 王一

在植物的免疫系統中，Nucleotide-Binding Leucine Rich Repeat (NLR) 是一類重要的免疫識別受體，它能在胞內識別病原體效應子，引起植物的超敏反應（hypersensitive response, HR）， 抵禦病原菌的侵染。免疫識別系統特異性的演化依賴於受體多樣性的產生，新抗原結合能力的獲得及下游訊號的啟動。但是，這種多樣性可能會導致在雜交過程中， NLR和植物自身配體的錯配並啟動免疫反應，從而引起植物雜交壞死（hybrid neucrosis）【1】。一部分NLR可以直接與效應子結合，而另一部分則是透過間接識別效應子對植物體內蛋白的修飾來啟用免疫反應。然而，如何根據序列確定直接或間接結合效應子的NLR，NLR在同一物種內多樣性產生和演化關係並不清楚【2】。早在1998年，Michelmore 和Meyers就提出了在所有NLR中，高度可變的氨基酸位點應該對應其與配體結合的位點的理論【3】。但是隨著更多高度保守的，非直接結合效應子的NLR被發現，這一理論受到了挑戰。所以，為了弄清NLR高度可變的氨基酸位點與配體結合的位點的對應關係，開發新的方法來研究NLR的演化，並預測與效應因子的結合位點變得尤為重要。

近日，美國伯克利國家實驗室Daniil M. Prigozhin和加州大學伯克利分校Ksenia V Krasileva合作在The Plant Cell 線上發表了題為Analysis of intraspecies diversity reveals a subset of highly variable plant immune receptors and predicts their binding sites的研究論文。該研究透過分析擬南芥和二穗短柄草種內NLR蛋白序列，發現了高度變化的NLR，並預測了這些NLR與效應子的結合位點。

在該研究中，為了獲得NLR的近等位基因系列（near allelic series），即單複製的直系同源基因組（single copy orthogroups），作者首先對62種不同擬南芥生態型的NLR基因構建了系統進化樹，然後根據進化樹分支的clade size和bootstrap support將其分為65個分支。作者使用Shannon entropy 方法對每一組NLRs基因的序列變異度進行了分析，發現所有已知的直接結合效應子的NLRs都是高度變化的，而所有已知的間接結合效應子的NLR都是高度保守的。進一步對這些高度變化的NLR進行分析，其多變氨基酸殘基主要分佈在起抗原識別作用的LRR結構域。透過對已知的RPP1結構分析發現，其效應子結合序列表現出了多樣性。這些證據表明，可以根據上述方法來確定某種NLR是否可以直接結合效應子，並預測其結合位點。結合高度變化的和保守的NLR在系統進化樹中的位置，作者提出：直接和非直接結合效應子的NLR起源於同一祖先，直接結合效應子的NLR經過了多樣性選擇（diversifying selection），而非直接結合效應子的NLR經過了純化或平衡選擇（purifying or balancing selection）的進化程序。

圖：RPP1與效應子結合位點呈現高序列多樣性。

為了驗證使用進化樹的方法進行不同類別NLR的溯源分析得到的結論是否在其他物種中具有普適性，作者又對54種不同生態型的二穗短柄草的NLR進行了分析，發現其進化樹呈相似的分佈，並得到了40個高度變化的NLR基因。作者又將擬南芥Col-0和二穗短柄草Bd-21參考基因組聯合建樹發現，只有少量來自不同基因組的基因距離較近，說明物種之間的NLR演化關係較遠。

總之，本文發現，使用進化樹和Shannon entropy的方法可以用來分析種內NLR的演化關係，預測NLR是否可以直接結合效應子，以及與效應子結合的位點。同時，這些高度變化的基因很有可能是導致雜交不親和的基因位點，透過預測這些基因位點可以為未來農業育種提供指導。然而本文提出的基於系統進化樹的尋找近等位基因系列（near allelic series）的方法需要大量的手動計算，該問題需要透過改進進化樹分析的演算法來解決。

參考文獻

1. Bomblies, K. (2009). Too much of a good thing? Hybrid necrosis as a by-product of plant

immune system diversification. Botany 87: 1013–1022.

2. Cesari, S. (2018). Multiple strategies for pathogen perception by plant immune receptors. New

Phytol. 219: 17–24.

3. Michelmore, R.W. and Meyers, B.C. (1998). Clusters of resistance genes in plants evolve by

divergent selection and a birth-and-death process. Genome Res. 8: 1113–1130.

原文連結：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab013/6119334