两种基于“相互守护”我国科学家揭开小麦抗病背后的秘密

2025年3月28日，由中国科学院遗传与发展生物学研究所刘志勇研究员牵头的植物免疫队和合作者在Science上发表了题为“A wheat tandem kinase and NLR pair confers resistance to multiple fungal pathogens"研究论文揭示了一种全新的免疫机制：一种非典型的NLR蛋白WTN1蛋白，用于抵抗病原菌入侵：(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，表现出对各种小麦真菌病害的抵抗力。这项工作突破了对串联激酶作用机制的认知，发现了串联激酶与传统NLR协同抗病的新范式，弥补了植物串联激酶免疫控制模式的空白，为作物广谱多抗种类的精准设计奠定了理论和应用基础。

串连激酶(Tandem kinase proteins，TKPs)它是近年来在小麦和大麦中发现的一种新型抗病蛋白，由两个或两个以上的激酶结构组成，各自表现出对条锈病(Yr15)、叶锈病(Lr9)、秸秆锈病(Rpg1)、Sr60和Sr62)、Pm24白粉病(Pm24、Pm36和Pm57)、麦瘟病(Rwt4)和黑粉病(U8)具有重要的繁殖价值。前期，中国科学院遗传与发展生物学研究所刘志勇团队将广谱抗白粉病基因Pm24(WTK3)从中国本地小麦品种和野生二粒小麦复制到编码新型串联激酶。Nature Communications，Pm36(WTK72020)和-TM，Nature Communications，然而，关于新型抗病蛋白串联激酶存在许多未解决的科学问题，如如何识别病原菌效应因素，如串联激酶。(Avr)?在作物免疫反应中，串联激酶的差异激酶结构域扮演着怎样的角色?用什么免疫方法激活作物的抗病反应?

WTN1是一种与WTK3紧密相连的非典型NLR蛋白，通过对抗白粉病基因Pm24(WTK3)EMS诱变感突变体的筛选，确定了WTK3抗病通道的关键因素。根据遗传分析结果，WTN1的出现是WTK3免疫小麦白粉病的关键，WTK3-WTN1通过感受器-编码器(sensor-executor)协同作用激活免疫反应。令人惊讶的是，WTK3不仅能抵抗小麦白粉病，还能识别麦瘟病菌效应因素PWT4，触发免疫反应，具有抗麦瘟病的潜在能力。研究小组发现，WTK3和WTN1基因在进化过程中通过植物免疫学、生化实验、电生理实验和进化分析等多种方法形成了密切的合作关系，共同帮助小麦抵抗病原菌的入侵。具体而言，WTK3有两个重要的“功能模块”，第一个模块由假激酶片段组成(PKF)第一个激酶和WTK3(Kin I)结构构成，其任务是识别病原菌释放的“攻击信号”-效应蛋白质;WTK3第二个模块是第二个激酶(Kin II)结构区域，它的作用是连接NLR蛋白WTN1，形成一个“防御队”。WTK3-WTN1复合物在感知病原菌入侵后迅速激活，形成促进钙离子的离子通道(Ca22) )内流，从而激活超敏反应和细胞程序化死亡。在早熟禾亚科进化过程中，进化分析表明WTK3和WTN1是一起进化的。值得注意的是，前期研究表明，Pm24(WTK3)基因是中国小麦当地品种特有的基因资源。经过多年的转移和转移，研究小组已将Pm24基因导入多种高产小麦底盘(图2)，开发的新型抗病物质已免费分发给国内多家单位进行抗病繁殖。这些研究成果有望解决中国小麦主产区缺乏广谱抗白粉基因资源的问题，同时为预防和控制麦瘟提前建立隐性遗传屏障，为中国农业可持续发展和产业升级提供重要的理论和技术服务。

中国科学院遗传与发展生物学研究所副研究员陆平、中国科学院遗传与发展生物学研究所博士生张高华、北京农业学院李晶博士、南京师范大学宫震博士是共同第一作者，中国科学院遗传与发展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展生物学研究所/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、中国科学院遗传与发展生物学研究所副研究员陆平为共同通信点。该项目获得了国家先锋。