2024年8月2日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究組與江蘇大學(xué)何華綱團(tuán)隊(duì)合作，于Nature Communications雜志在線發(fā)表文章“A kinase fusion protein from Aegilops longissima confers resistance to wheat powdery mildew”，揭示了小麥廣譜抗白粉病基因Pm13的抗病機(jī)制。

白粉病是威脅我國(guó)小麥糧食安全的重要病害之一，挖掘和克隆抗白粉病基因進(jìn)而提高小麥品種的抗白粉病能力是當(dāng)前小麥抗病育種的重要任務(wù)和挑戰(zhàn)。高大山羊草（Aegilops longissima，2n = 14，S^lS^l）是小麥的一個(gè)野生近緣種，與小麥的B基因組祖先高度相關(guān)，它能抵御小麥多種病害，是小麥遺傳改良的重要資源。抗白粉病基因Pm13是通過(guò)種間雜交的方式，從高大山羊草引入到栽培小麥中的。研究表明Pm13對(duì)108個(gè)國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)的白粉菌菌株具有良好抗性。然而外源染色體片段導(dǎo)入引起的重組交換抑制阻礙了該基因的克隆和育種利用。

該研究分別利用⁶⁰Co-γ射線和甲基磺酸乙酯(EMS)對(duì)攜帶Pm13的易位系No.3778進(jìn)行誘變，并篩選得到了10個(gè)⁶⁰Co-γ射線誘導(dǎo)的感白粉病的染色體片段缺失系和6個(gè)EMS誘導(dǎo)的感病突變體。借助分子標(biāo)記和10個(gè)⁶⁰Co-γ射線誘導(dǎo)染色體片段缺失系，將Pm13定位到0.74 Mb的物理區(qū)間。而對(duì)野生型材料和6個(gè)EMS誘導(dǎo)的感病突變體進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析（MutIsoSeq），則將一個(gè)新型融合激酶蛋白基因MLKL-K鎖定為候選基因。隨后進(jìn)行基因槍介導(dǎo)的瞬時(shí)表達(dá)分析和農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因分析，證實(shí)MLKL-K就是目的基因Pm13（圖1）。

Pm13編碼的激酶融合蛋白具有特殊的結(jié)構(gòu)，在N端含有一個(gè)MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域，在C端含有一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，兩者中間有一段含3個(gè)α螺旋的銜接序列（Brace）。煙草葉片和小麥葉片原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，融合片段Brace-Kinase_{122 -476}能夠誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，而全長(zhǎng)蛋白和單獨(dú)的結(jié)構(gòu)域/區(qū)段（MLKL_NTD、Brace和Kinase）都不能誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。該結(jié)果表明，Pm13介導(dǎo)的白粉病抗性依賴于功能性的激酶結(jié)構(gòu)域和鄰近激酶結(jié)構(gòu)域的Brace區(qū)域的3個(gè)α螺旋，但在沒(méi)有病原菌的情況下，激酶融合蛋白處于失活的自抑制狀態(tài)（圖2）。

總結(jié)而言，這項(xiàng)研究成功克隆了來(lái)源于高大山羊草的廣譜抗白粉病基因Pm13，并揭示了其編碼的激酶融合蛋白的抗病分子機(jī)制，有助于促進(jìn)Pm13在小麥抗白粉病育種中的應(yīng)用，也為進(jìn)一步解析Pm13介導(dǎo)的白粉病抗性的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

江蘇大學(xué)何華綱副教授和研究生陳昭昭為本文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究員和江蘇大學(xué)何華綱副教授為共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所沈前華研究員、范仁春博士，四川農(nóng)業(yè)科學(xué)院張潔研究員，江蘇大學(xué)朱姍穎副教授，河南大學(xué)高安禮副教授，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院龔雙軍研究員，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張露博士后，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院李洪杰研究員，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Simon G. Krattinger教授等參與了該研究。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50909-6

圖1，Pm13的克隆基因功能驗(yàn)證

圖2，Pm13的抗病分子機(jī)制研究