近日，生命科學(xué)學(xué)院何華綱團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表題為“A kinase fusion protein from Aegilops longissima confers resistance to wheat powdery mildew”的研究論文，報(bào)道了來源于高大山羊草的小麥抗白粉病基因Pm13的克隆，并揭示了其生化功能和進(jìn)化特性。江蘇大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為第一完成單位，何華綱為第一作者兼通訊作者，合作單位中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究員為共同通訊作者，碩士研究生陳昭昭為共同第一作者，碩士研究生王甲樂、張倩淵參加了部分工作。
白粉病是威脅我國小麥糧食安全的重要病害之一，挖掘和克隆抗白粉病基因進(jìn)而提高小麥品種的抗白粉病能力是當(dāng)前小麥抗病育種的重要任務(wù)。高大山羊草是小麥的一個(gè)野生物種，兩者的遠(yuǎn)緣雜交后代中攜帶了抗白粉病基因Pm13，它對(duì)不同地區(qū)的白粉菌菌株具有良好抗性，然而交換抑制阻礙了該基因的克隆和育種利用。
該研究利用60Co-γ射線對(duì)攜帶Pm13的易位系No.3778進(jìn)行輻照，創(chuàng)制了10個(gè)感白粉病的染色體缺失系，借助分子標(biāo)記將Pm13定位到0.74 Mb的物理區(qū)間。接著對(duì)野生型材料和EMS誘導(dǎo)的感病突變體進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，將一個(gè)新型融合激酶蛋白基因MLKL-K鑒定為候選基因，隨后進(jìn)行基因槍介導(dǎo)的瞬時(shí)表達(dá)分析和農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因分析，證實(shí)MLKL-K就是目的基因Pm13，對(duì)小麥提供了高效的白粉病抗性。
Pm13編碼的激酶融合蛋白具有特殊的結(jié)構(gòu)，在N端含有一個(gè)混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白（MLKL_NTD）結(jié)構(gòu)域，在C端含有一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，兩者中間有一段含3個(gè)α螺旋的銜接序列（Brace）。煙草葉片和小麥葉片原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，融合片段Brace-Kinase122 -476能夠誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，而全長(zhǎng)蛋白和單獨(dú)的結(jié)構(gòu)域/區(qū)段（MLKL_NTD、Brace和Kinase）都不能誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。該結(jié)果表明，Pm13介導(dǎo)的白粉病抗性依賴于功能性的激酶結(jié)構(gòu)域和鄰近激酶結(jié)構(gòu)域的Brace區(qū)域的3個(gè)α螺旋，但在沒有病原菌的情況下，激酶融合蛋白處于失活的自抑制狀態(tài)。在動(dòng)物和擬南芥中，MLKL蛋白是假激酶，細(xì)胞死亡活性由MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域或MLKL-Brace融合片段介導(dǎo)，與之相比，Pm13編碼的MLKL-K是真激酶，其生化功能具有獨(dú)特性。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，含MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)在植物界廣泛存在。在禾本科植物中，含MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)呈現(xiàn)明顯的多樣性，MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域可能以單個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)的方式存在，也可能與STK、WD40、BRX、NLR等融合形成新的蛋白質(zhì)。MLKL-K來源于較新的基因融合事件，已擴(kuò)展為小麥族中含MLKL_NTD結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)的主要類型。
總結(jié)而言，這項(xiàng)研究成功克隆了來源于高大山羊草的廣譜抗白粉病基因Pm13，并揭示了其編碼的激酶融合蛋白的生化功能和進(jìn)化特性，有助于促進(jìn)Pm13在小麥抗白粉病育種中的應(yīng)用，也為進(jìn)一步解析Pm13介導(dǎo)的白粉病抗性的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。（生命科學(xué)學(xué)院）
文章鏈接：http://www.nature.com/articles/s41467-024-50909-6
