3月28日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員劉志勇領(lǐng)銜的植物免疫團(tuán)隊與合作者，揭示了串聯(lián)激酶抵御病原菌入侵的全新免疫機制，即一個非典型的NLR蛋白WTN1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。這一成果突破了領(lǐng)域內(nèi)對串聯(lián)激酶作用機制的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)激酶與傳統(tǒng)NLR蛋白協(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(zhǔn)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
串聯(lián)激酶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，具有重要的育種價值。然而，關(guān)于串聯(lián)激酶這類新型抗病蛋白存在較多懸而未決的科學(xué)問題。例如，串聯(lián)激酶如何識別病原菌效應(yīng)因子？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)？
前期，劉志勇團(tuán)隊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）和Pm36（WTK7-TM）。此次研究中，該團(tuán)隊篩選抗白粉病基因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(xué)分析結(jié)果顯示，WTN1是WTK3免疫小麥白粉病的關(guān)鍵，WTK3-WTN1通過感受器-編碼器的協(xié)同作用模式激活免疫反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，WTK3不僅抗小麥白粉病，而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。進(jìn)一步，研究通過植物免疫學(xué)、生化實驗、電生理實驗和進(jìn)化分析等方法發(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和WTK3的第一個激酶結(jié)構(gòu)域組成，其任務(wù)是識別病原菌釋放的“攻擊信號”即效應(yīng)蛋白；第二個模塊為WTK3的第二個激酶結(jié)構(gòu)域，其作用是銜接NLR蛋白WTN1，形成“防御小分隊”。當(dāng)感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1復(fù)合物被迅速激活，形成離子通道促進(jìn)鈣離子內(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。
前期研究表明，Pm24（WTK3）基因是我國小麥地方品種特有的基因資源。團(tuán)隊經(jīng)過多年的回交轉(zhuǎn)育，將Pm24基因?qū)氲蕉鄠€高產(chǎn)小麥底盤品種，并將創(chuàng)制的抗病新種質(zhì)發(fā)放給國內(nèi)多家單位以進(jìn)行抗病育種利用。
上述成果有望助力解決我國小麥主產(chǎn)區(qū)缺乏廣譜抗白粉病基因資源的問題，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)升級提供理論支持和技術(shù)支持。
相關(guān)研究成果以A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員項目等的支持。該工作由遺傳發(fā)育所、南京師范大學(xué)、崖州灣國家實驗室、湘湖實驗室共同完成。
