陕西
2025年3月28日，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员领衔的植物免疫团队和合作者在
Science发表题为“
A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens”的研究论文，揭示了麦类作物串联激酶抵御病原菌入侵的全新免疫机制：一个非典型的NLR蛋白WTN1（Wheat Tandem NBD 1）与串联激酶WTK3协同识别病原菌的效应蛋白激发免疫反应，表现对多种小麦真菌病害的抗性。该项工作突破了植物免疫领域内对串联激酶作用机制的认知，发现了串联激酶与传统NLR协同抗病新范式，填补了植物串联激酶免疫调控途径的空白，为作物广谱多抗品种精准设计奠定了理论和应用基础。
串联激酶（Tandem kinase proteins，TKPs）是近年来在小麦和大麦中发现的一类新型抗病蛋白，由两个或多个激酶结构域串联而成，分别表现出对条锈病（Yr15）、叶锈病（Lr9）、秆锈病（Rpg1、Sr60和Sr62）、白粉病（Pm24、Pm36和Pm57）、麦瘟病（Rwt4）和黑粉病（U8）的抗性，具有重要的育种价值。中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员团队前期分别从中国小麦地方品种“葫芦头”和野生二粒小麦中克隆到编码新型串联激酶的广谱抗白粉病基因Pm24（WTK3，Nature Communications，2020）和Pm36（WTK7-TM，Nature Communications，2024）。然而关于串联激酶这类新型抗病蛋白存在许多悬而未决的科学问题，如串联激酶如何识别病原菌效应因子（Avr）？串联激酶的不同激酶结构域在作物抗病免疫反应中分别扮演什么样的角色？串联激酶通过什么免疫途径激活作物的抗病反应？
团队通过筛选携带抗白粉病基因Pm24（WTK3）的中国小麦地方品种“葫芦头”的EMS诱变突变体库，筛选到多个感白粉病突变体，利用突变体进行RNA测序，鉴定到一个WTK3抗病通路的关键因子WTN1，WTN1是与WTK3在染色体上紧密连锁的NLR蛋白。遗传学分析和基因组编辑结果表明，WTN1的存在是WTK3免疫小麦白粉病的关键，WTK3-WTN1分子模块通过感受器-编码器（sensor-executor）的协同作用模式激活抗病免疫反应。研究团队通过植物免疫学、生化实验、电生理实验和进化分析等多种方法，发现小麦中的WTK3和WTN1基因在进化过程中形成了紧密的合作关系，共同帮助小麦抵抗病原菌的入侵。具体来说，WTK3有两个重要的“功能模块”，第一模块由WTK3的假激酶片段（PKF）和第一个激酶（Kin I）结构域组成，它们的任务是识别病原菌释放的“攻击信号”-效应蛋白；第二个模块为WTK3的第二个激酶（Kin II）结构域，它的作用是衔接和激活NLR蛋白WTN1，从而形成一个WTK3-WTN1“防御小分队”。当WTK3感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1“防御小分队”迅速被动员起来，激活后的WTK3-WTN1蛋白寡聚形成高分子复合物，组装成抗病小体，在细胞膜上形成离子通道，促进钙离子（Ca2+）从胞外向胞内的内流，从而激活超敏反应和细胞程序化死亡。进化分析表明WTK3和WTN1在早熟禾亚科进化过程中协同进化。
图1 WTK3-WTN1分子模块的工作模型
尤其令人惊喜的是，研究团队发现WTK3不仅抗小麦白粉病，并且能够识别麦瘟病菌效应因子PWT4并触发免疫反应，因此具有潜在的抗麦瘟病能力。小麦白粉病是严重威胁我国小麦安全生产的重要病害，近年来年均危害面积在一亿亩左右（我国每年小麦播种面积3.5亿亩），每年需要大量施用农药进行白粉病防治，不但增加了成本，还污染了环境。麦瘟病是近年来国际上新发生的一种毁灭性病害，1985年最早在巴西南部发现，随后在南美国家流行，对当地的小麦生产带来了严重的影响。2016年在亚洲的孟加拉国发现了麦瘟病，并且很快大面积流行，翌年麦瘟病已经从孟加拉国传入印度，严重威胁当地的小麦生产。尽管麦瘟病尚未传入我国，但麦瘟病流行之快，侵染后果之严重，需要我们高度警惕，提前布局防控防线。
刘志勇研究团队前期研究表明Pm24（WTK3）基因为我国小麦地方品种所特有的广谱抗白粉病基因资源，研究团队经过多年的回交转育，已将Pm24基因导入到多个高产小麦底盘品种（图2），创制的高产抗病新种质已无偿发放给国内多家单位进行抗病育种利用，这些研究成果有望解决我国小麦主产区缺乏广谱抗白粉病基因资源的问题，同时为防控麦瘟病提前建立潜在的遗传屏障，为我国农业可持续发展和产业升级提供重要的理论和技术支持。
图2小麦抗病基因Pm24（WTK3）的高产抗病新种质
中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员陆平、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生张高华、北京农学院李晶博士及南京师范大学宫震博士为论文的共同第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员、陈宇航研究员、南京师范大学韩管助教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室周俭民研究员、湘湖实验室李洪杰研究员及中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员陆平为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5469
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