近日，上海交通大学农业与生物学院陈功友教授团队与美国密苏里大学/唐纳德·丹佛斯植物科学中心Bing Yang教授团队合作，在国际权威学术期刊The Plant Cell上发表题为“Nuclear localization controls BED-NLR Xa1–mediated immunity in rice”的研究文章。该研究聚焦水稻白叶枯病抗病基因Xa1，系统解析了BED-NLR类免疫受体的核定位信号（NLS）功能，首次证明细胞核定位是Xa1激活下游免疫信号及抗病性的必需条件，揭示了效应蛋白识别与免疫激活在空间上的分离机制，为BED-NLR类抗病基因的分子设计与育种应用提供了重要理论支撑。
水稻是全球半数以上人口的主粮，由黄单胞菌稻致病变种（Xanthomonas oryzae pv. oryzae，Xoo）引起的白叶枯病是生产上重要的致灾细菌性病害。Xoo通过III型分泌系统将转录激活类效应蛋白（TALEs）分泌至水稻细胞，TALEs进入细胞核后结合寄主基因启动子区效应子结合元件（EBEs），激活感病基因表达，导致水稻感病。水稻NLR类免疫受体Xa1能够识别多种TALE蛋白并激活抗病反应，但TALE激活Xa1抗性的作用机制以及其亚细胞定位与功能之间的关系长期不明。
研究团队系统测试了多种不同Xoo菌株来源的TALE蛋白激活Xa1的能力，发现尽管这些TALE结构高度保守，但部分TALE（如PthXo2B、TalCAXO1947）丧失激活Xa1抗性的能力，表明Xa1对TALE的识别具有序列特异性。通过构建不含iTALE的工程菌株PH(pthXo2B)，团队建立了无干扰的TALE-Xa1互作分析平台。
进一步研究表明，TALE的核定位信号对其激活Xa1至关重要：NLS缺陷型AvrXa7完全丧失触发抗性的能力，而引入SV40异源NLS可完全恢复功能，说明TALE进入细胞核是Xa1激活免疫的前提。
那么Xa1自身是否需要核定位？经测定，Xa1氮端的三个NLS可高效引导GFP进入细胞核。利用prime editing技术，团队在水稻内源Xa1基因位精准引入单、双及三重NLS突变，发现所有突变株系均丧失或显著降低对Xoo菌株PΔTal3的抗性，其中NLS1突变株系感病表型最严重；将NLS1替换为SV40 NLS可恢复抗性，证明核定位功能本身而非NLS1序列是Xa1发挥功能的关键。
非常有意义的是，NLS突变不影响Xa1与TALE或iTALE的直接相互作用，但只有细胞核定位的Xa1才能触发胞质Ca²⁺内流，这是NLR免疫激活的重要标志。当Xa1或TALE任一核定位被破坏时，Ca²⁺信号均无法产生。此外，iTALE也可抑制胞内Ca²⁺信号的产生，表明iTALE通过干扰Xa1核内激活而非阻断效应蛋白结合来抑制免疫。
该研究还首次建立了“核内识别—胞质信号”的BED-NLR免疫激活模型（图1）：TALE进入细胞核，与核定位的Xa1结合并触发免疫信号，导致胞质Ca²⁺内流和抗病性；NLS突变或iTALE则阻断免疫，导致感病。这一发现揭示了核定位信号在Xa1这类BED-NLR免疫受体功能中的关键作用，为揭示植物细胞核内NLR免疫受体的作用机制提供了新线索，也为利用Xa1培育广谱抗白叶枯病和条斑病的水稻育种提供了科学依据。
图1. 核定位调控水稻BED-NLR免疫受体Xa1介导的抗病性
上海交通大学农业与生物学院博士后徐夏萌为论文第一作者，上海交通大学陈功友教授和美国密苏里大学Bing Yang教授为共同通讯作者，实验室团队成员参与部分研究。上海交通大学陈功友教授和美国密苏里大学Bing Yang教授合作，先后发现了稻黄单胞菌iTALE抑制Xa1抗性（Nature Communication, 2016）,克隆了包括Xa2、Xa14和Xa45在内的Xa1类的抗病基因（Plant Communications, 2020）。该研究得到了国家自然科学基金、密苏里大学及唐纳德·丹佛斯植物科学中心启动经费等项目的资助。