福建农林大学阙友雄/王恒波团队揭示甘蔗受体激酶WAK在病原菌胁迫下的功能和作用机制

甘蔗（Saccharum spp.） 是一种主要种植于亚热带和热带地区的经济作物，蔗糖占全球和我国糖产量的比重分别高达70%和85%左右，在农业经济中占有重要地位。与其它作物一样，外界环境中的生物和非生物胁迫，如干旱、低温、以及病原菌是制约甘蔗生产的主要因素。甘蔗黑穗病是由黑粉菌 （Sporisorium scitanmineum） 引起的一种世界性真菌病害，严重危害甘蔗产业的良性健康可持续发展。我国大陆蔗区主栽品种新台糖22号 （ROC22） 、柳城05-136和桂糖42号等对黑穗病抗性不佳，进一步加大了甘蔗产业的病害胁迫压力。甘蔗抗病基因工程是一种在甘蔗中挖掘抗性基因并将其应用于培育具有目标抗性甘蔗品种的病害控制策略，最具成本效益且环境友好。细胞壁相关受体激酶 （wall-associated kinase，WAK） 是一种编码与细胞壁相关的功能蛋白，属于植物类受体激酶 （receptor-like kinase，RLK） 中的一个重要亚家族。WAK基因家族的大部分成员与植物的生长发育、细胞增殖和病原菌抗性密切相关。因此，探究WAK基因家族成员的分子进化机制以及不同成员的功能特性，对植物抗逆分子育种具有较为重要的理论和实践意义。然而，目前在甘蔗中尚未见关于WAK基因家族的进化和功能研究的报道。

近日，福建农林大学阙友雄和王恒波团队在国际学术期刊International Journal of Biological Macromolecules在线发表了题为Identification and characterization of WAK gene family in Saccharum and the negative roles of ScWAK1 under the pathogen stress的研究论文。该研究基于已报道的甘蔗割手密 （Saccharum spontaneum） 和甘蔗栽培种R570基因组数据库，挖掘甘蔗WAK基因家族成员，并对其进行生物信息学分析，包括系统发育、序列特征、启动子顺式作用元件和表达模式等分析，较为系统地系统了解了甘蔗WAK基因家族成员的基本特征和表达特性。此外，作者还明确了甘蔗ScWAK1是一个膜蛋白，其通过调控过敏反应 （hypersensitive response，HR） 和乙烯 （ethylene，ET） 通路相关基因，负调控植物对病原菌的防御反应。该研究揭示了甘蔗WAK基因家族的起源、分布和进化，为甘蔗抗性育种提供了潜在的基因资源。

具体地，首先，该研究在基因组水平上，从甘蔗割手密和甘蔗栽培种基因组中分别鉴定到19个SsWAKs基因和12个ShWAKs基因。系统发育树显示，双子叶植物中的WAK蛋白被聚类到Group Ⅲ，而甘蔗中的WAK蛋白同其它单子叶植物中的WAK蛋白均被聚类到Group I, Ⅱ and IV （图1A） 。其次，上游启动子序列顺式作用元件预测表明，WAK基因家族不同成员的启动子区域中包含多个与胁迫、生长发育和激素响应相关的顺式作用元件 （图1B） 。然后，RNA-seq数据分析揭示，SsWAK基因家族成员在甘蔗不同组织中组成型表达，并参与对黑穗病菌胁迫的响应过程 （图1C） 。

图1 甘蔗WAK基因家族的鉴定及表达特性

进一步，作者从甘蔗栽培品种ROC22中，克隆到一个典型的细胞壁相关受体激酶ScWAK1 （GenBank登录号:OP479864） （图2A） 。该基因在甘蔗叶片和根中高表达 （图2B） ，并且在黑穗病菌和外源激素水杨酸 （salicylic acid，SA） 和茉莉酸甲酯 （methyl jasmonate，MeJA） 胁迫下，可被诱导表达 （图2B） 。特别地，作者发现ScWAK1基因可能通过调控HR和ET途径中某些基因的表达，负调控植株对病原菌的胁迫响应 （图2C和D） 。

图2 甘蔗ScWAK1基因编码的氨基酸结构和功能分析

最后，作者构建了甘蔗ScWAK1基因在抗病防御反应中的调控机制模型 （图3） 。以上研究，将有助于深化我们对甘蔗WAK基因家族的进化和功能的认识，同时也为深入解析ScWAK1基因如何在甘蔗应答生物胁迫中发挥作用积累了较为丰富的数据，并奠定了良好的基础。

图3 甘蔗ScWAK1基因在病原菌胁迫下的调控机制模型

福建农林大学农学院在读博士研究生王东姣为该论文的第一作者；福建农林大学甘蔗综合研究所、农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室、国家甘蔗工程技术研究中心/农学院王恒波副研究员和阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者，郭晋隆副研究员参与该项工作。福建农林大学农学院在读硕士研究生覃丽谦、吴明星、邹文会、臧守建、赵振南及林佩霞参与该研究。该研究得到国家重点研发计划、福建省自然科学基金、国家自然科学基金和国家糖料产业技术体系等项目的资助。

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.11.300