2024年8月2日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究組與江蘇大學何華綱團隊合作，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的抗病機制。

白粉病是威脅我國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而提高小麥品種的抗白粉病能力是當前小麥抗病育種的重要任務和挑戰(zhàn)。高大山羊草（Aegilops longissima，2n = 14，S^lS^l）是小麥的一個野生近緣種，與小麥的B基因組祖先高度相關，它能抵御小麥多種病害，是小麥遺傳改良的重要資源?？拱追鄄』?/span>Pm13是通過種間雜交的方式，從高大山羊草引入到栽培小麥中的。研究表明Pm13對108個國內外不同地區(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)對攜帶Pm13的易位系No.3778進行誘變，并篩選得到了10個⁶⁰Co-γ射線誘導的感白粉病的染色體片段缺失系和6個EMS誘導的感病突變體。借助分子標記和10個⁶⁰Co-γ射線誘導染色體片段缺失系，將Pm13定位到0.74 Mb的物理區(qū)間。而對野生型材料和6個EMS誘導的感病突變體進行轉錄組測序分析（MutIsoSeq），則將一個新型融合激酶蛋白基因MLKL-K鎖定為候選基因。隨后進行基因槍介導的瞬時表達分析和農桿菌介導的轉基因分析，證實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構，在N端含有一個MLKL_NTD結構域，在C端含有一個絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域，兩者中間有一段含3個α螺旋的銜接序列（Brace）。煙草葉片和小麥葉片原生質體瞬時表達分析發(fā)現(xiàn)，融合片段Brace-Kinase_{122 -476}能夠誘導細胞死亡，而全長蛋白和單獨的結構域/區(qū)段（MLKL_NTD、Brace和Kinase）都不能誘導細胞死亡。該結果表明，Pm13介導的白粉病抗性依賴于功能性的激酶結構域和鄰近激酶結構域的Brace區(qū)域的3個α螺旋，但在沒有病原菌的情況下，激酶融合蛋白處于失活的自抑制狀態(tài)（圖2）。

總結而言，這項研究成功克隆了來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制，有助于促進Pm13在小麥抗白粉病育種中的應用，也為進一步解析Pm13介導的白粉病抗性的分子機理奠定了基礎。

江蘇大學何華綱副教授和研究生陳昭昭為本文的共同第一作者，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究員和江蘇大學何華綱副教授為共同通訊作者。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所沈前華研究員、范仁春博士，四川農業(yè)科學院張潔研究員，江蘇大學朱姍穎副教授，河南大學高安禮副教授，湖北省農業(yè)科學院龔雙軍研究員，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心張露博士后，中國農業(yè)科學院李洪杰研究員，沙特阿卜杜拉國王科技大學Simon G. Krattinger教授等參與了該研究。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心啟動經費等項目資助。

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

圖1，Pm13的克隆基因功能驗證

圖2，Pm13的抗病分子機制研究