Nature Plants | 小麦抗白粉病新机制，抗病基因Pm4的可变剪切控制抗病性

撰文 | 清风明月

责编 | 王一

异源六倍体普通小麦 （又称为面包小麦） 占据了小麦种植品种的95%以上，为超过三分之一的人类提供主要能量来源，小麦的产量和品质直接关系到全人类的食物安全 【1】 。小麦白粉病是一种世界范围的真菌性病害，每年造成约5%的产量损失，严重威胁小麦的生产安全 【2】 。抗病基因的挖掘和抗病品种的培育是防治小麦白粉病最可持续的策略，然而由于地理隔离和种间差异，抗病基因往往存在小种特异性，抗病机制在不同层面也存在多样性，培育适宜和广谱的抗病品种需要深入了解不同类型抗病基因的分子机制 【3】 。宿主抗病基因与病菌互作机制的研究提供了多种模型，然而小麦白粉病抗病基因的作用机制还有很多未解之谜。

3月11日，瑞士苏黎世大学的研究人员在Nature Plants发表了一篇题为Wheat Pm4 resistance to powdery mildew is controlled by alternative splice variants encoding chimeric proteins的研究论文。该研究克隆并报道了小麦白粉病小种特异性抗病基因Pm4，并发现了该基因存在可变剪切，通过内质网发挥抗病功能的独特分子机制。

研究人员首先通过对EMS诱变产生的感病突变体材料进行重测序，鉴定到白粉病抗病基因Pm4b，基因诱变、VIGS表达干扰及基因回补实验确定了鉴定到的Pm4b基因与抗病表型一致，同时研究人员发现Pm4b基因广泛分布在六倍体小麦中，而小麦基因组参考序列“中国春”中没有发现同源位点。考虑到Pm4基因重要的经济价值，为了促进Pm4基因在抗病育种中的应用，本研究中开发了六倍体特异性的Pm4基因检测标记试剂盒。

进一步分析发现，Pm4b基因存在多个假定可变剪切位点，经过对Pm4b基因反转录产物序列比对，确定Pm4b基因的第6和第7个外显子不兼容可变剪切，同样的现象也在含有Pm4a的株系中检测到；表达量分析结果显示，Pm4b基因两个转录本Pm4b_V1和Pm4b_V2在病菌侵染过程中被抑制，且表现出对病菌抗性的同等贡献；随后研究人员将Pm4b稳定转化感病品种。结果显示，两个转录本共存是感病品种获得抗性必需的，单独沉默每个转录本均可以使抗病品种丧失抗性，并且Pm4b基因的表达不影响小麦的发育。

Pm4 基因编码拥有色氨酸/苏氨酸的激酶类蛋白，两个转录本编码C端结构差异的嵌合蛋白，其中Pm4b_V1 C端为C2C结构域，Pm4b_V2 C端为耦合到磷酸核糖转移酶C端的C2D结构域，且含有两个跨膜区。经过对全球范围内512份种质资源 Pm4 等位基因分析，发现多个 Pm4 等位基因，并且不同等位基因的核苷酸多样性均发生在C端的跨膜区域。随后，研究人员通过融合荧光蛋白共表达分析，发现Pm4b_V2可能从细胞质招募Pm4b_V1到内质网形成复合体，进一步的CO-IP/PULL—DOWN/荧光素酶互补实验，揭示了Pm4b_V1和Pm4b_V2可以自己聚合也可以形成杂合体，并且优先形成杂合体。最后，作者还对麦类中 Pm4 类似基因家族进行了起源进化分析。

研究人员对Pm4抗病机理提出一种模型，当没有白粉病入侵时，Pm4基因两个转录本Pm4_V1和Pm4_V2形成异源复合体，并且处于静息状态；当白粉病开始入侵时，早期 （吸器形成前） 病菌可能会分泌少量的无毒蛋白AvrPm4，通过与Pm4蛋白的C端结合，改变其构象引发弱的免疫反应，后期 （吸器形成后） 病菌可能分泌大量的AvrPm4蛋白到宿主中，通过与Pm4蛋白的C端结合，改变其构象，激活激酶活性和强烈的抗病反应，并引发HR。

综上所述，该研究首次克隆到小种特异性小麦抗白粉病基因Pm4，并揭示了其转录过程存在可变剪切，两个转录本C端独特的结构和内质网共定位的特点，拓展了我们对小种特异性抗病基因结构和功能的认识，同时为小麦白粉病抗病育种提供了有利的抗病资源。

参考文献：

【1】Appels, R. et al. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. Science 361, eaar7191 (2018)

【2】Savary, S. et al. The global burden of pathogens and pests on major food crops. Nat. Ecol. Evol. 3, 430–439 (2019)

【3】Mundt, C. C. Use of multiline cultivars and cultivar mixtures for disease management. Annu. Rev. Phytopathol. 40, 381–410 (2002).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00869-2