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(lǐng)銜的植物免疫團隊聯(lián)合北京農(nóng)學院青年教師李晶等人在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。該項工作突破了領(lǐng)域內(nèi)對串聯(lián)激酶作用機制的認識，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設(shè)計奠定了理論和應用基礎(chǔ)。
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(nóng)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。
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(jié)構(gòu)域串聯(lián)而成，分別表現(xiàn)出對條銹病（Yr15）、葉銹?。↙r9）、稈銹?。≧pg1、Sr60和Sr62）、白粉?。≒m24、Pm36和Pm57）、麥瘟?。≧wt4）和黑粉?。║n8）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團隊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(jié)構(gòu)域在作物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？
團隊通過篩選抗白粉病基因Pm24（WTK3）的EMS誘變感病突變體，鑒定到一個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。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因子PWT4并觸發(fā)免疫反應，具有潛在的抗麥瘟病能力。
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(guān)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”，第一模塊由假激酶片段（PKF）和WTK3的第一個激酶（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”-效應蛋白；第二個模塊為WTK3的第二個激酶（Kin II）結(jié)構(gòu)域，它的作用是銜接NLR蛋白WTN1，形成一個“防御小分隊”。當感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1復合物迅速被激活，形成離子通道促進鈣離子（Ca2+）內(nèi)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。值得注意的是，前期研究表明Pm24（WTK3）基因為我國小麥地方品種所特有的基因資源，課題組經(jīng)過多年的回交轉(zhuǎn)育，已將Pm24基因?qū)氲蕉鄠€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。
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)
北京農(nóng)學院青年教師李晶從2019年參與到該項目中，主要承擔了部分生化和分子生物學實驗，從生化角度解析了WTN1和WTK3，及PWT4和Rwt4/WTK3的相互作用。李晶表示，感謝中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所提供寶貴的科研平臺和學習機會，此次與中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所等單位的跨院校合作，深刻感受到不同專業(yè)交叉融合、團結(jié)協(xié)作的強大力量。“跨院校、跨專業(yè)的合作不僅推動了課題研究的深入突破，更開闊了青年科研工作者的學術(shù)視野。我將圍繞‘落實教育強國建設(shè)綱要，推動學校事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展’主題主線，以‘實干創(chuàng)先年’為抓手，繼續(xù)與中科院等單位合作深入研究串聯(lián)激酶對病原菌抗性的機理，不斷提升科技創(chuàng)新能力，產(chǎn)出高水平科研成果，同時將科研反哺教學，持續(xù)提升人才自主培養(yǎng)質(zhì)量，為加快建設(shè)國內(nèi)一流國際知名都市農(nóng)林特色高水平應用型大學作出積極貢獻，為加快實現(xiàn)高水平農(nóng)業(yè)科技自立自強貢獻智慧和力量?！?/p>
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。
來源：北京農(nóng)學院
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