通過合成生物學可改造非豆科植物進行固氮（2020.8.8 iPlants）

植物通過編碼賴氨酸基序（LysM）受體以識別微生物激發子近而驅動細胞內信號傳導調控微生物的定植。2020年8月7日，《Science》雜志在線發表了來自丹麥奧爾胡斯大學Simona Radutoiu和Kasper R.Andersen研究組題為“Ligand-recognizing motifs in plant LysM receptors are major determinants of specificity”的研究論文。

該研究以豆科模式植物百脈根為研究材料在關于賴氨酸基序（LysM）受體如何特意識別特意配體的研究中取得重大進展。該研究為在非豆科植物中進行受體改造從而使其能識別根瘤菌提供了重要的理論指導。

在病原菌侵染過程中幾丁質（Chitin）往往作為信號分子被賴氨酸基序（LysM）受體所（例如CERK1）識別從而激活植物免疫反應。在根瘤菌與豆科植物建立共生關系的過程中根瘤菌分泌的信號分子（結瘤因子）同樣被被賴氨酸基序（LysM）受體（結瘤因子受體）所識別。例如在百脈根中識別幾丁質參與免疫反應的受體是CERK6，識別結瘤因子參與固氮共生信號受體是NFR1，而且二者的蛋白結構極為相似。那么植物是怎么通過不同的受體精確的識別各自的配體的呢？賴氨酸基序（LysM）受體通常在胞外存在3個串聯賴氨酸基序，本研究中發現其第一個賴氨酸基序（LysM1）中的識別基序是受體特異性的主要決定因素。

首先作者通過在CERK6與NFR1兩個受體之間進行胞外結構域（賴氨酸基序）與胞內結構域（蛋白激酶結構域）互換?；Q后用相應的嵌合體蛋白（chimeras protein）其互補nfr1突變體的結瘤表型（根瘤數目，nfr1突變體不能結瘤）與cerk6突變體的免疫表型（活性氧水平）。結果發現只要是嵌合體蛋白的胞外域來自NFR1其就能互補nfr1突變體不結瘤的表型。但是要完全互補cerk6突變體的免疫表型不僅需要其胞外結構域，其激酶域同樣重要?？傊?，LysM胞外域對于結瘤和免疫是至關重要。

因為賴氨酸基序（LysM）受體通常在胞外存在3個串聯賴氨酸基序（LysM1，LysM2，LysM3），在確定了LysM胞外域對于結瘤和免疫是至關重要后。作者近一步在三個賴氨酸基序之間進行相互調換發現對結瘤因子和幾丁質的選擇性是由LysM1域所決定。為了近一步剖析LysM1中哪些元素對于NFR1和CERK6功能很重要，作者確定了四個具有實質性序列差異的結構區域（I to IV），并再次對不同區域進行了調換。實驗結構表明第II區和第IV區是受體功能所必需的。為近一步證實這個結果作者同時在不同來源的結瘤因子受體（百脈根的NFR1域苜蓿的LYK3）之間同樣同樣進行了分析，實驗結果同樣表明了受體LysM1第II區和第IV區的必須性。為了更加清楚的在分子水平解析賴氨酸基序識別配體的特異性，作者獲得了LYK3蛋白胞外域的晶體結構對重要保守氨基酸進行了分析。

近一步作者通過對不同受體（NFR1與LYK3）進行工程改造近而改變受體識別結瘤因子的特異性，在該實驗過程中發現LysM1中的第III在不同豆科作物中是變化的可能起到建立物種特異性的作用。最終作者嘗試重新編程CERK6受體以識別結瘤因子介導結瘤過程。

綜上所述，該研究以豆科模式植物百脈根為研究材料在關于賴氨酸基序（LysM）受體如何特意識別特意配體的研究中取得重大進展。該研究為在非豆科植物中進行受體改造從而使其能識別根瘤菌提供了重要的理論指導。