2025年3月28日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所劉志勇研究員領銜的植物免疫團隊和合作者在
Science發(fā)表題為“
A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens”的研究論文，揭示了麥類作物串聯(lián)激酶抵御病原菌入侵的全新免疫機制：一個非典型的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蛋白激發(fā)免疫反應，表現(xiàn)對多種小麥真菌病害的抗性。該項工作突破了植物免疫領域內對串聯(lián)激酶作用機制的認知，發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)激酶與傳統(tǒng)NLR協(xié)同抗病新范式，填補了植物串聯(lián)激酶免疫調控途徑的空白，為作物廣譜多抗品種精準設計奠定了理論和應用基礎。
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，由兩個或多個激酶結構域串聯(lián)而成，分別表現(xiàn)出對條銹?。╕r15）、葉銹病（Lr9）、稈銹?。≧pg1、Sr60和Sr62）、白粉?。≒m24、Pm36和Pm57）、麥瘟?。≧wt4）和黑粉病（U8）的抗性，具有重要的育種價值。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所劉志勇研究員團隊前期分別從中國小麥地方品種“葫蘆頭”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問題，如串聯(lián)激酶如何識別病原菌效應因子（Avr）？串聯(lián)激酶的不同激酶結構域在作物抗病免疫反應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？
團隊通過篩選攜帶抗白粉病基因Pm24（WTK3）的中國小麥地方品種“葫蘆頭”的EMS誘變突變體庫，篩選到多個感白粉病突變體，利用突變體進行RNA測序，鑒定到一個WTK3抗病通路的關鍵因子WTN1，WTN1是與WTK3在染色體上緊密連鎖的NLR蛋白。遺傳學分析和基因組編輯結果表明，WTN1的存在是WTK3免疫小麥白粉病的關鍵，WTK3-WTN1分子模塊通過感受器-編碼器（sensor-executor）的協(xié)同作用模式激活抗病免疫反應。研究團隊通過植物免疫學、生化實驗、電生理實驗和進化分析等多種方法，發(fā)現(xiàn)小麥中的WTK3和WTN1基因在進化過程中形成了緊密的合作關系，共同幫助小麥抵抗病原菌的入侵。具體來說，WTK3有兩個重要的“功能模塊”，第一模塊由WTK3的假激酶片段（PKF）和第一個激酶（Kin I）結構域組成，它們的任務是識別病原菌釋放的“攻擊信號”-效應蛋白；第二個模塊為WTK3的第二個激酶（Kin II）結構域，它的作用是銜接和激活NLR蛋白WTN1，從而形成一個WTK3-WTN1“防御小分隊”。當WTK3感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1“防御小分隊”迅速被動員起來，激活后的WTK3-WTN1蛋白寡聚形成高分子復合物，組裝成抗病小體，在細胞膜上形成離子通道，促進鈣離子（Ca2+）從胞外向胞內的內流，從而激活超敏反應和細胞程序化死亡。進化分析表明WTK3和WTN1在早熟禾亞科進化過程中協(xié)同進化。
圖1 WTK3-WTN1分子模塊的工作模型
尤其令人驚喜的是，研究團隊發(fā)現(xiàn)WTK3不僅抗小麥白粉病，并且能夠識別麥瘟病菌效應因子PWT4并觸發(fā)免疫反應，因此具有潛在的抗麥瘟病能力。小麥白粉病是嚴重威脅我國小麥安全生產的重要病害，近年來年均危害面積在一億畝左右（我國每年小麥播種面積3.5億畝），每年需要大量施用農藥進行白粉病防治，不但增加了成本，還污染了環(huán)境。麥瘟病是近年來國際上新發(fā)生的一種毀滅性病害，1985年最早在巴西南部發(fā)現(xiàn)，隨后在南美國家流行，對當?shù)氐男←溕a帶來了嚴重的影響。2016年在亞洲的孟加拉國發(fā)現(xiàn)了麥瘟病，并且很快大面積流行，翌年麥瘟病已經從孟加拉國傳入印度，嚴重威脅當?shù)氐男←溕a。盡管麥瘟病尚未傳入我國，但麥瘟病流行之快，侵染后果之嚴重，需要我們高度警惕，提前布局防控防線。
劉志勇研究團隊前期研究表明Pm24（WTK3）基因為我國小麥地方品種所特有的廣譜抗白粉病基因資源，研究團隊經過多年的回交轉育，已將Pm24基因導入到多個高產小麥底盤品種（圖2），創(chuàng)制的高產抗病新種質已無償發(fā)放給國內多家單位進行抗病育種利用，這些研究成果有望解決我國小麥主產區(qū)缺乏廣譜抗白粉病基因資源的問題，同時為防控麥瘟病提前建立潛在的遺傳屏障，為我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和產業(yè)升級提供重要的理論和技術支持。
圖2小麥抗病基因Pm24（WTK3）的高產抗病新種質
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所副研究員陸平、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所博士生張高華、北京農學院李晶博士及南京師范大學宮震博士為論文的共同第一作者，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所劉志勇研究員、陳宇航研究員、南京師范大學韓管助教授、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所/崖州灣國家實驗室周儉民研究員、湘湖實驗室李洪杰研究員及中國科學院遺傳與發(fā)育生物學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研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5469
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