Nat Commun | 小麦串联激酶WTK4通过HMA样...

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（来源：小麦研究联盟）

研究背景

小麦白粉病是由专性营养真菌白粉菌（Blumeria graminis f. sp. tritici; Bgt）引起的一种世界性病害，严重威胁全球粮食安全。植物在与病原体的长期协同演化中，进化出了精密的天然免疫系统。第一层是基于细胞表面的模式识别受体（PRRs）感知的模式触发免疫（PTI）；第二层则是基于细胞内抗病蛋白（R蛋白）识别病原体效应子（Effector）激发的效应子触发免疫（ETI）。

在禾本科作物中，绝大多数已知的R基因编码核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复序列受体（NLRs）。然而，近年来一类非典型的串联激酶蛋白（Tandem Kinase Proteins, TKPs）在小麦和大麦的抗病中脱颖而出，例如小麦的Yr15（WTK1）、Sr60（WTK2）和Pm24（WTK3）等。一些NLR受体携带“集成结构域”（Integrated Domains, IDs），这些结构域通过模拟病原体效应子在宿主体内的天然攻击靶点，起到“效应子陷阱”或“诱饵”的作用。尽管已有研究表明许多TKPs也携带IDs，但关于TKP如何识别效应子并介导抗性的分子机制仍知之甚少。特别是对于WTK4这一能够抗小麦白粉病的串联激酶，其对应的病原体效应子及其识别机制一直是个谜。

论文概要

苏黎世大学的 Beat Keller 团队和萨拉曼卡大学的 Javier Sánchez-Martín 团队（第一作者为 Zoe Bernasconi）在 Nature Communications 发表题为“An HMA-like integrated domain in the wheat tandem kinase WTK4 recognises an RNase-like pathogen effector”的论文，揭示了小麦串联激酶WTK4通过其N端集成的重金属相关（HMA）样结构域，直接识别白粉菌分泌的RNase样效应子AvrWTK4。该研究通过双亲本遗传制图、UV诱变及功能验证，阐明了WTK4介导的抗病性遵循“集成诱饵”（Integrated decoy）机制。这一发现为串联激酶免疫受体的效应子识别提供了首个机制性范式，并为通过基因工程改造作物抗病性提供了新思路。

主要研究结果介绍

双亲本制图定位AvrWTK4位点

为了鉴定WTK4对应的毒性基因，研究团队利用了来自Bgt菌株CHE_96224（对WTK4无毒）和THUN-12（对WTK4有毒）杂交产生的F1群体。通过在含有WTK4的小麦近缘种粗山羊草（Ae. tauschii）系上进行表型鉴定和QTL定位，研究人员在白粉菌5号染色体上鉴定到一个单一的关联位点（图1A）。

在该位点区间内共有25个注释基因。通过比较两个亲本菌株的基因序列和表达水平，研究人员锁定了两个多态性的候选效应子基因：Bgt-55150 和 BgtE-5764。其中，Bgt-55150 在吸器阶段高表达，且在无毒与有毒菌株之间存在三个氨基酸差异（T30N、T33P和E35Q），被认为是AvrWTK4的最强候选基因（图1B）。

图1

诱变实验确认AvrWTK4及其调控因子

为了进一步验证候选基因，研究人员对无毒菌株进行UV诱变，筛选获得了6个对WTK4产生毒性的突变体。全基因组测序显示，其中3个突变体在候选基因 Bgt-55150 的编码区或内含子剪接位点发生了单核苷酸突变（图2A）。特别是突变体AvrWTK4_4发生了内含子保留，导致蛋白翻译提前终止（图2B）。

有趣的是，另外两个突变体（AvrWTK4_1和_2）在 Bgt-55150 序列上并无变化，但在一个名为 Bgt-646 的基因中发现了转座子插入或SNP。Bgt-646 编码一个含锚蛋白重复序列（ankyrin-repeat）的蛋白。定量PCR分析显示，在 Bgt-646 突变体中，Bgt-55150 的表达水平显著下调（图2D-E）。这表明 Bgt-646 是 AvrWTK4 的正向调节因子，白粉菌可以通过直接改变效应子序列或通过调节因子降低效应子表达量来逃避WTK4的识别（图2F）。

图2

WTK4在原生质体中激发特异性免疫响应

研究人员利用粗山羊草和白粉病感病小麦品种Fielder的原生质体进行了功能验证。结果显示，将无毒型AvrWTK4与WTK4共转染到原生质体中，会引起显著的细胞死亡（通过YFP荧光强度降低测定），而有毒型变异体或对照效应子则不会引起此响应（图3D-E）。这证明了WTK4对AvrWTK4的识别具有高度特异性。此外，显微观察证实，WTK4介导的抗病过程伴随着典型的超敏反应（HR）和乳突（Papilla）形成（图3A-B）。

图3

WTK4利用集成HMA结构域作为“诱饵”直接绑定效应子

WTK4的蛋白结构包含一个N端的HMA样结构域、一个假激酶结构域（K1）和一个功能性激酶结构域（K2）（图4A）。通过AlphaFold3结构建模，研究人员预测AvrWTK4具有典型的RNase样折叠结构，并能与WTK4的HMA结构域直接相互作用。

为了验证这一预测，研究团队进行了分体荧光素酶（Split-luciferase）实验和酵母双杂交（Y2H）实验。结果一致表明：

无毒型AvrWTK4与WTK4的HMA结构域存在强烈的直接相互作用（图4D-E）。

有毒型AvrWTK4（带有T30N等突变）与HMA结构域的结合能力显著减弱。

仅仅将WTK4 HMA结构域上的三个关键预测结合位点（I29, D30, Q31）突变为丙氨酸，就会彻底破坏其对效应子的识别（图4C-D）。

结构分析还显示，WTK4的HMA结构域与已知NLR蛋白（如水稻RGA5和Pikp-1）中的集成的HMA结构域具有极高的结构同源性（表1）。这表明，尽管R蛋白的骨架（NLR vs. TKP）完全不同，但植物进化出了趋同的策略，即利用类似的集成的HMA结构域作为“诱饵”来诱捕病原体效应子。

图4

全文总结与展望

本研究成功鉴定了小麦抗白粉病R基因WTK4对应的效应子AvrWTK4，并阐明了其识别的分子机制。AvrWTK4属于RNase样效应子家族，这是白粉菌中一种常见的效应子类型。WTK4通过其N端的HMA样集成结构域直接感知AvrWTK4的攻击，这种“集成诱饵”模式在串联激酶类受体中是首次被详尽解析。

该发现具有重要的科学意义：首先，它揭示了植物免疫受体在进化过程中，如何通过招募相同的集成结构域（如HMA）来应对不同病原体的攻击；其次，研究证明了病原体可以通过基因调控（如 Bgt-646 介导的下调）而非仅仅通过序列突变来逃避识别，这增加了病害防治的复杂性。在应用方面，基于HMA结构域与效应子之间清晰的互作界面，育种家可以通过蛋白质工程手段改造HMA结构域，以扩大串联激酶的识别谱，从而培育出具有广谱、持久抗性的新型小麦品种。

研究团队与资助

该研究由苏黎世大学植物与微生物生物学系和萨拉曼卡大学农业研究中心合作完成。Zoe Bernasconi 为第一作者，Beat Keller 教授和 Javier Sánchez-Martín 博士为共同通讯作者。该研究得到了瑞士国家科学基金会（SNSF）、西班牙区域政府以及欧盟“NextGenerationEU”等项目的资助。

DOI链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74940-x

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com