番茄免疫受体蛋白Sw-5b与番茄斑萎病毒移动蛋白NSm的多层识别与互作新机制

Tospovirus belongs to a class of plant negative strand RNA viruses which have broad host range, cause severe disease and are difficult to control. Tospoviruses caused serious damage in agricultural important crops worldwide each year. Sw-5b in tomato is a plant immune receptor protein which confers broad-spectrum resistance to tospoviruses. Sw-5b is a typical CC-NB-LRR protein but it evolutes an additional N-terminal domain (NTD). How Sw-5b recognizes the invasion of tospovirus and why Sw-5b confers broad-spectrum resistance against tospoviruses remains unclear. Our preliminary studies of Sw-5b showed that Sw-5b has multilayered regulatory mechanism of autoinhibition and activation in the presence of tospovirus movement protein NSm, a viral elicitor. In this proposal, we aims to further elaborate how Sw-5b NB-LRR, CC and additional N-terminal domain (NTD) recognizes and interacts with the viral elicitor NSm, and to disclose how this multilayered interactions between Sw-5b and NSm lead to broad-spectrum resistance of Sw-5b against different tospoviruses. The implementation of this project is expected to understand how Sw-5b recognizes the infection of tospovirus and to reveal the molecular mechanism of Sw-5b broad-spectrum resistance. Meanwhile, it may acquire novel mechanism for the recognition and interaction between the tospoviruses and tomato immune receptor during their co-evolution. This project can gain important knowledge which could be appiled to utilize this class of Solanaceae immune receptor protein with broad-spectrum resistance to effectively control the viral diseases or other pathogens caused diseases.

番茄斑萎病毒属病毒是寄主范围广、发生严重且较难控制的一类植物负义链RNA病毒，每年在全球农业经济作物上造成极为严重的损失。Sw-5b是番茄上对番茄斑萎病毒属病毒具广谱抗性的一个植物免疫受体蛋白，它含有典型的CC-NB-LRR结构并进化出了一个额外的N端结构域(NTD)，但是Sw-5b如何识别番茄斑萎病毒并发挥广谱抗性的调控分子机制目前仍不清楚。项目组前期研究初步表明Sw-5b与番茄斑萎病毒移动蛋白NSm存在多层识别与互作调控机制，本项目拟进一步深入阐述Sw-5b的NB-LRR、CC和额外的N端NTD结构域与NSm的识别与互作调控机制，并在此基础上解析Sw-5b的广谱抗性分子机制。研究结果有望阐明Sw-5b如何识别番茄斑萎病毒的侵染并揭示其广谱抗性机制，同时可揭示病毒与茄科作物免疫共进化中的新的识别与互作机制，为利用该类茄科免疫受体蛋白有效防控相关病毒病害提供重要的基础理论知识。

番茄斑萎病毒属病毒是寄主范围广、发生严重且较难控制的一类植物负义链RNA病毒，每年在全球农业经济作物上造成极为严重的损失。Sw-5b是番茄上对番茄斑萎病毒属病毒具广谱抗性的一个含有CC-NB-LRR结构的植物胞内抗病蛋白，但是Sw-5b如何识别番茄斑萎病毒并发挥广谱抗性的调控分子机制仍不清楚。本项目解析了番茄免疫受体蛋白与番茄斑萎病毒（TSWV）移动蛋白NSm的识别与互作新机制，在此基础上阐明了Sw-5b的广谱抗性分子机制。本研究发现番茄免疫受体蛋白Sw-5b可通过识别番茄斑萎病毒属病毒编码的移动蛋白NSm中的一段高度保守的由21个氨基酸组成的肽段（NSm21）从而实现其对该类病毒的广谱抗性。进一步研究发现Sw-5b是通过与NSm21发生直接互作来诱导植物的防御反应的，同时还鉴定了Sw-5b中识别NSm21的关键位点，并进一步揭示了受体蛋白从识别到抗性激活的分子转换机制。另外，对南美野生番茄Sw-5的进化研究发现该免疫受体蛋白对病毒的识别位点是在长期的正向选择作用下进化而来的。在此基础上，发现Sw-5b免疫受体蛋白通过两步识别的新机制来监测TSWV的入侵。Sw-5b的N末端茄科结构域（SD）与NB-ARC-LRR都与病毒效应蛋白NSm互作，Sw-5b SD作为额外的感知功能域起作用，而NB-ARC-LRR则作为激活功能域发挥作用。Sw-5b SD和NSm之间的特异性互作对于解除CC对NB-ARC-LRR的抑制作用是必需的。当病毒效应蛋白NSm在低浓度时，NB-ARC-LRR不能有效对其检测，而Sw-5b SD能显著增强NB-ARC-LRR对低浓度的NSm的识别能力并促进其活化诱导强烈的防御反应，该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。根据两步识别机制的原理，进一步采用逐步人工进化的策略，筛选鉴定了大量抗病基因突变体，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。该项目还建立了基于病毒反向遗传学的较为完善研究抗病基因的体系。研究结果阐明了番茄免疫受体蛋白Sw-5b对番茄斑萎病毒的广谱抗性机制，揭示了该免疫受体蛋白对病毒的两步识别新机制，为利用抗病基因进行作物广谱抗病毒材料创制提供了重要理论基础。在本项目资助下，以通讯作者在Plant Cell、Molecular Plant、PNAS等权威期刊发表SCI论文21篇。