我國科學(xué)家揭開小麥抗病背后的秘密
2025年3月28日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇研究員領(lǐng)銜的植物免疫團(tuán)隊(duì)和合作者在Science發(fā)表題為“A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens”的研究論文，揭示了串聯(lián)激酶抵御病原菌入侵的全新免疫機(jī)制：一個(gè)非典型的NLR蛋白WTN1（Wheat Tandem NBD 1）與串聯(lián)激酶WTK3協(xié)同識別病原菌的效應(yīng)蛋白激發(fā)免疫反應(yīng)，表現(xiàn)對多種小麥真菌病害的抗性。該項(xiàng)工作突破了領(lǐng)域內(nèi)對串聯(lián)激酶作用機(jī)制的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)激酶與傳統(tǒng)NLR協(xié)同抗病新范式，填補(bǔ)了植物串聯(lián)激酶免疫調(diào)控途徑的空白，為作物廣譜多抗品種精準(zhǔn)設(shè)計(jì)奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。
串聯(lián)激酶（Tandem kinase proteins，TKPs）是近年來在小麥和大麥中發(fā)現(xiàn)的一類新型抗病蛋白，由兩個(gè)或多個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域串聯(lián)而成，分別表現(xiàn)出對條銹病（Yr15）、葉銹病（Lr9）、稈銹病（Rpg1、Sr60和Sr62）、白粉病（Pm24、Pm36和Pm57）、麥瘟病（Rwt4）和黑粉病（U8）的抗性，具有重要的育種價(jià)值。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇團(tuán)隊(duì)前期分別從中國小麥地方品種和野生二粒小麥中克隆到編碼新型串聯(lián)激酶的廣譜抗白粉病基因Pm24（WTK3，Nature Communications，2020）和Pm36（WTK7-TM，Nature Communications，2024），然而關(guān)于串聯(lián)激酶這類新型抗病蛋白存在許多懸而未決的科學(xué)問題，如串聯(lián)激酶如何識別病原菌效應(yīng)因子（Avr）？串聯(lián)激酶的不同激酶結(jié)構(gòu)域在作物免疫反應(yīng)中分別扮演什么樣的角色？串聯(lián)激酶通過什么免疫途徑激活作物的抗病反應(yīng)？
團(tuán)隊(duì)通過篩選抗白粉病基因Pm24（WTK3）的EMS誘變感病突變體，鑒定到一個(gè)WTK3抗病通路的關(guān)鍵因子WTN1，WTN1是與WTK3緊密連鎖的非典型NLR蛋白。遺傳學(xué)分析結(jié)果表明，WTN1的存在是WTK3免疫小麥白粉病的關(guān)鍵，WTK3-WTN1通過感受器-編碼器（sensor-executor）的協(xié)同作用模式激活免疫反應(yīng)。令人驚喜的是WTK3不僅抗小麥白粉病，并且能夠識別麥瘟病菌效應(yīng)因子PWT4并觸發(fā)免疫反應(yīng)，具有潛在的抗麥瘟病能力。研究團(tuán)隊(duì)通過植物免疫學(xué)、生化實(shí)驗(yàn)、電生理實(shí)驗(yàn)和進(jìn)化分析等多種方法，發(fā)現(xiàn)小麥中的WTK3和WTN1基因在進(jìn)化過程中形成了緊密的合作關(guān)系，共同幫助小麥抵抗病原菌的入侵。具體來說，WTK3有兩個(gè)重要的“功能模塊”，第一模塊由假激酶片段（PKF）和WTK3的第一個(gè)激酶（Kin I）結(jié)構(gòu)域組成，它們的任務(wù)是識別病原菌釋放的“攻擊信號”-效應(yīng)蛋白；第二個(gè)模塊為WTK3的第二個(gè)激酶（Kin II）結(jié)構(gòu)域，它的作用是銜接NLR蛋白WTN1，形成一個(gè)“防御小分隊(duì)”。當(dāng)感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1復(fù)合物迅速被激活，形成離子通道促進(jìn)鈣離子（Ca2+）內(nèi)流，從而激活超敏反應(yīng)和細(xì)胞程序化死亡。進(jìn)化分析表明WTK3和WTN1在早熟禾亞科進(jìn)化過程中協(xié)同進(jìn)化。值得注意的是，前期研究表明Pm24（WTK3）基因?yàn)槲覈←湹胤狡贩N所特有的基因資源，課題組經(jīng)過多年的回交轉(zhuǎn)育，已將Pm24基因?qū)氲蕉鄠€(gè)高產(chǎn)小麥底盤品種（圖2），創(chuàng)制的抗病新種質(zhì)已無償發(fā)放給國內(nèi)多家單位進(jìn)行抗病育種利用，這些研究成果有望解決我國小麥主產(chǎn)區(qū)缺乏廣譜抗白粉病基因資源的問題，同時(shí)為防控麥瘟病提前建立潛在的遺傳屏障，為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級提供重要的理論和技術(shù)支持。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員陸平、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士生張高華、北京農(nóng)學(xué)院李晶博士及南京師范大學(xué)宮震博士為論文的共同第一作者，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇研究員、陳宇航研究員、南京師范大學(xué)韓管助教授、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室周儉民研究員、湘湖實(shí)驗(yàn)室李洪杰研究員及中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員陸平為共同通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助。
圖1 WTK3-WTN1分子模塊的工作模型
圖2 小麥抗病基因Pm24（WTK3）的高產(chǎn)抗病新種質(zhì)
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