3月28日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇研究員領(lǐng)銜的植物免疫團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京農(nóng)學(xué)院青年教師李晶等人在Science發(fā)表題為“A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens”的研究論文，揭示了串聯(lián)激酶抵御病原菌入侵的全新免疫機(jī)制：一個(gè)非典型的NLR蛋白WTN1（Wheat Tandem NBD 1）與串聯(lián)激酶WTK3協(xié)同識(shí)別病原菌的效應(yīng)蛋白激發(fā)免疫反應(yīng)，表現(xiàn)對(duì)多種小麥真菌病害的抗性。該項(xiàng)工作突破了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)串聯(lián)激酶作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)激酶與傳統(tǒng)NLR協(xié)同抗病新范式，填補(bǔ)了植物串聯(lián)激酶免疫調(diào)控途徑的空白，為作物廣譜多抗品種精準(zhǔn)設(shè)計(jì)奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員陸平、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士生張高華、北京農(nóng)學(xué)院李晶博士及南京師范大學(xué)宮震博士為論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇研究員、陳宇航研究員、南京師范大學(xué)韓管助教授、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室周儉民研究員、湘湖實(shí)驗(yàn)室李洪杰研究員及中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員陸平為共同通訊作者。

串聯(lián)激酶（Tandem kinase proteins，TKPs）是近年來(lái)在小麥和大麥中發(fā)現(xiàn)的一類新型抗病蛋白，由兩個(gè)或多個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域串聯(lián)而成，分別表現(xiàn)出對(duì)條銹病（Yr15）、葉銹病（Lr9）、稈銹病（Rpg1、Sr60和Sr62）、白粉病（Pm24、Pm36和Pm57）、麥瘟病（Rwt4）和黑粉病（Un8）的抗性，具有重要的育種價(jià)值。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇團(tuán)隊(duì)前期分別從中國(guó)小麥地方品種和野生二粒小麥中克隆到編碼新型串聯(lián)激酶的廣譜抗白粉病基因Pm24（WTK3，Nature Communications，2020）和Pm36（WTK7-TM，Nature Communications，2024），然而關(guān)于串聯(lián)激酶這類新型抗病蛋白存在許多懸而未決的科學(xué)問題，如串聯(lián)激酶如何識(shí)別病原菌效應(yīng)因子（Avr）？串聯(lián)激酶的不同激酶結(jié)構(gòu)域在作物免疫反應(yīng)中分別扮演什么樣的角色？串聯(lián)激酶通過什么免疫途徑激活作物的抗病反應(yīng)？

團(tuán)隊(duì)通過篩選抗白粉病基因Pm24（WTK3）的EMS誘變感病突變體，鑒定到一個(gè)WTK3抗病通路的關(guān)鍵因子WTN1，WTN1是與WTK3緊密連鎖的非典型NLR蛋白。遺傳學(xué)分析結(jié)果表明，WTN1的存在是WTK3免疫小麥白粉病的關(guān)鍵，WTK3-WTN1通過感受器-編碼器（sensor-executor）的協(xié)同作用模式激活免疫反應(yīng)。令人驚喜的是WTK3不僅抗小麥白粉病，并且能夠識(shí)別麥瘟病菌效應(yīng)因子PWT4并觸發(fā)免疫反應(yīng)，具有潛在的抗麥瘟病能力。

研究團(tuán)隊(duì)通過植物免疫學(xué)、生化實(shí)驗(yàn)、電生理實(shí)驗(yàn)和進(jìn)化分析等多種方法，發(fā)現(xiàn)小麥中的WTK3和WTN1基因在進(jìn)化過程中形成了緊密的合作關(guān)系，共同幫助小麥抵抗病原菌的入侵。具體來(lái)說(shuō)，WTK3有兩個(gè)重要的“功能模塊”，第一模塊由假激酶片段（PKF）和WTK3的第一個(gè)激酶（Kin I）結(jié)構(gòu)域組成，它們的任務(wù)是識(shí)別病原菌釋放的“攻擊信號(hào)”-效應(yīng)蛋白；第二個(gè)模塊為WTK3的第二個(gè)激酶（Kin II）結(jié)構(gòu)域，它的作用是銜接NLR蛋白WTN1，形成一個(gè)“防御小分隊(duì)”。當(dāng)感知到病原菌入侵后，WTK3-WTN1復(fù)合物迅速被激活，形成離子通道促進(jìn)鈣離子（Ca2+）內(nèi)流，從而激活超敏反應(yīng)和細(xì)胞程序化死亡。進(jìn)化分析表明WTK3和WTN1在早熟禾亞科進(jìn)化過程中協(xié)同進(jìn)化。值得注意的是，前期研究表明Pm24（WTK3）基因?yàn)槲覈?guó)小麥地方品種所特有的基因資源，課題組經(jīng)過多年的回交轉(zhuǎn)育，已將Pm24基因?qū)氲蕉鄠€(gè)高產(chǎn)小麥底盤品種（圖2），創(chuàng)制的抗病新種質(zhì)已無(wú)償發(fā)放給國(guó)內(nèi)多家單位進(jìn)行抗病育種利用，這些研究成果有望解決我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)缺乏廣譜抗白粉病基因資源的問題，同時(shí)為防控麥瘟病提前建立潛在的遺傳屏障，為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供重要的理論和技術(shù)支持。

圖1 WTK3-WTN1分子模塊的工作模型

圖2小麥抗病基因Pm24（WTK3）的高產(chǎn)抗病新種質(zhì)

我校青年教師李晶從2019年參與到該項(xiàng)目中，主要承擔(dān)了部分生化和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，從生化角度解析了WTN1和WTK3，及PWT4和Rwt4/WTK3的相互作用。李晶表示，感謝中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所提供寶貴的科研平臺(tái)和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，此次與中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等單位的跨院校合作，深刻感受到不同專業(yè)交叉融合、團(tuán)結(jié)協(xié)作的強(qiáng)大力量。“跨院校、跨專業(yè)的合作不僅推動(dòng)了課題研究的深入突破，更開闊了青年科研工作者的學(xué)術(shù)視野。我將圍繞‘落實(shí)教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要，推動(dòng)學(xué)校事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展’主題主線，以‘實(shí)干創(chuàng)先年’為抓手，繼續(xù)與中科院等單位合作深入研究串聯(lián)激酶對(duì)病原菌抗性的機(jī)理，不斷提升科技創(chuàng)新能力，產(chǎn)出高水平科研成果，同時(shí)將科研反哺教學(xué)，持續(xù)提升人才自主培養(yǎng)質(zhì)量，為加快建設(shè)國(guó)內(nèi)一流國(guó)際知名都市農(nóng)林特色高水平應(yīng)用型大學(xué)作出積極貢獻(xiàn)，為加快實(shí)現(xiàn)高水平農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)智慧和力量。”

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。