植物是全世界食物、衣物和住所的主要來源。在不斷變化的氣候和日益減少的外部投入（如水、化肥和可耕地）下養(yǎng)活日益增長的世界人口是人類面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。小麥?zhǔn)且环N主要的糧食作物，提供人類飲食中20%以上的熱量和蛋白質(zhì)，以及維生素、膳食纖維和植物化學(xué)物質(zhì)。病原菌和害蟲每年造成面包小麥20%的全球產(chǎn)量損失。為了實(shí)施有效的基因和生物技術(shù)方法來減少疾病造成的損失，科學(xué)家需要對(duì)植物如何限制病原體有一個(gè)基本的了解。然而，小麥族（包括小麥、大麥和黑麥）的抗病基因（R基因）的克隆仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兊幕蚪M龐大且重復(fù)性豐富。近年來，基于基因組學(xué)的基因克隆技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了小麥非經(jīng)典R基因家族的發(fā)現(xiàn)。
植物已經(jīng)進(jìn)化出一種先天免疫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由種系編碼的免疫受體組成，可以識(shí)別所有病原體類別。植物免疫受體在結(jié)構(gòu)上與動(dòng)物免疫受體相似，包括模式識(shí)別受體以及細(xì)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合的富含亮氨酸重復(fù)序列（NLR）受體植物模式識(shí)別受體是受體樣激酶（RLKs）或受體樣蛋白，可以識(shí)別保守的病原體或損傷相關(guān)的分子模式。NLR受體識(shí)別在感染過程中輸送到植物細(xì)胞中的各種病原體效應(yīng)蛋白。在過去的30年里，這兩種類型的免疫受體都得到了深入的研究，從而對(duì)植物免疫信號(hào)有了詳細(xì)的了解。然而，相比之下，非經(jīng)典R基因的作用相對(duì)未被探索，其中一些基因具有持久的抗性。
近日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Genetics》背靠背在線發(fā)表了題為“An unusual tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat”和“The wheat stem rust resistance gene Sr43 encodes an unusual protein kinase”的研究論文，介紹了兩團(tuán)隊(duì)首次鑒定到兩個(gè)具有新結(jié)構(gòu)域的小麥抗病基因，這兩個(gè)新基因的結(jié)構(gòu)域均來自小麥野生近緣種，是激酶與其他結(jié)構(gòu)域的融合體——激酶融合蛋白（KFPs）。兩項(xiàng)研究描述了激酶融合蛋白（KFPs）如何調(diào)節(jié)小麥病原菌感知和詭計(jì)，KFPs作為新型植物免疫調(diào)節(jié)因子，豐富了小麥抗性基因庫，為小麥分子育種提供更多的基因資源。
圖1 植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結(jié)構(gòu)域
小麥葉銹病抗病位點(diǎn)Lr9位于小麥6B染色體長臂的末端，該片段是由小麥研究先驅(qū)Ernest Sears在1950年代采用種間雜交與X射線輻照相結(jié)合的方法從小傘山羊草導(dǎo)入普通小麥的染色體易位片段。這種輻射導(dǎo)致的非同源染色體易位會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的重組抑制，無法通過傳統(tǒng)的圖位克隆策略克隆易位片段上的Lr9基因。對(duì)此，首個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于EMS突變體轉(zhuǎn)錄組測序的基因克隆技術(shù)（簡稱MutIsoSeq），這種技術(shù)綜合運(yùn)用了EMS誘變及突變體篩選、野生型材料PacBio三代全長轉(zhuǎn)錄組測序、突變體二代轉(zhuǎn)錄組測序及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)⒛繕?biāo)基因的轉(zhuǎn)錄本跟表型直接關(guān)聯(lián)。利用MutIsoSeq技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了完全不依賴于重組和遺傳定位的Lr9的克?。▓D2）。
圖2 Lr9和Lr58編碼一個(gè)不典型的串聯(lián)激酶融合蛋白
第二研究團(tuán)隊(duì)則成功克隆了小麥莖銹病抗性基因Sr43，編碼了一種激酶融合蛋白，其激酶結(jié)構(gòu)域可能來源于早期的異位重組事件；Sr43介導(dǎo)的抗性具有物種特異性和溫度敏感性，其轉(zhuǎn)基因表達(dá)可對(duì)不同莖銹病病原體分離株具有高水平的抗性。研究團(tuán)團(tuán)隊(duì)成功克隆到從長穗偃麥草轉(zhuǎn)移到面包小麥中的莖銹病抗性基因Sr43。經(jīng)鑒定，Sr43為一種激酶融合蛋白，融合了一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和兩個(gè)未知結(jié)構(gòu)域DUF（圖3）。
圖3 Sr43編碼融合兩個(gè)DUF結(jié)構(gòu)域的蛋白激酶
研究團(tuán)隊(duì)通過基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Sr43的抗病功能（圖4）。此外，Sr43介導(dǎo)的抗性具有物種特異性和溫度敏感性。通過同源序列分析，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Sr43基因可能通過異位重組事件將激酶結(jié)構(gòu)域募集到DUF，從而形成了蛋白激酶結(jié)構(gòu)域加兩個(gè)DUF的獨(dú)特的激酶融合蛋白（kinase fusion protein，KFP）。類似的KFP還有Pm4、Snn3、Sm1、Tsn1、Yr36、Rpg5和Lr9，且大部分都表現(xiàn)出物種特異性的抗性。
圖4 Sr43的功能驗(yàn)證及其小種特異性和溫度敏感性
綜上所述，與作物野生近緣種相比，馴化和作物改良大大降低了遺傳多樣性。兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的工作證明了作物野生近緣種作為多樣化非經(jīng)典R基因庫的來源對(duì)于抗性育種和全球糧食安全的重要性。KFPs作為植物免疫新型調(diào)節(jié)因子會(huì)逐漸得到更多研究者的重視。
—— 參考文獻(xiàn) ——
1. Wang, Y., Abrouk, M., Gourdoupis, S. et al. An unusual tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat[J]. Nature Genetics, 2023. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01401-2.
2. Yu, G., Matny, O., Gourdoupis, S. et al. The wheat stem rust resistance gene Sr43 encodes an unusual protein kinase[J]. Nature Genetics, 2023. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01402-1.
分子標(biāo)記開發(fā)與檢測服務(wù)
根據(jù)目標(biāo)DNA/基因序列,可開發(fā)高效的分子標(biāo)記（SNP-KASP、SSR等），并可實(shí)現(xiàn)單日最高一萬SSR數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及數(shù)以十萬計(jì)的SNP數(shù)據(jù)點(diǎn)檢測。應(yīng)用領(lǐng)域：
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品種真實(shí)性鑒定 | ● 基因精細(xì)定位 |
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品種一致性檢測 | ● 種質(zhì)資源分析 |
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品種純度檢測 | ● 分子標(biāo)記輔助育種 |
分子標(biāo)記輔助選擇/回交育種服務(wù)
利用分子標(biāo)記輔助目標(biāo)基因選擇、背景選擇和去連鎖選擇，針對(duì)優(yōu)良自交系的個(gè)別“短板”進(jìn)行“定向”改良，回交不超過3代，獲得與原自交系一致或高度相似的新材料。應(yīng)用領(lǐng)域：水稻、玉米、大豆、小麥等作物定向改良。
