小麦是主粮作物之一，小麦白粉病和麦瘟病严重影响粮食生产，威胁国家粮食安全。
日前，中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现，我国小麦地方品种所特有的广谱抗白粉病基因资源Pm24，其编码的串联激酶抗病蛋白WTK3不但抗白粉病，还兼具麦瘟病抗性。
相关研究结果表明，该基因在小麦育种中具有重大育种应用价值，为培育持久广谱多抗小麦新品种带来了新希望。
01
协同作战 共御病害
串联激酶是近年来在小麦和大麦中发现的一类新型抗病蛋白，由两个或多个激酶结构域串联而成，分别表现出对条锈病（Yr15）、叶锈病（Lr9）、秆锈病（Rpg1、Sr60和Sr62）、白粉病（Pm24、Pm36和Pm57）、麦瘟病（Rwt4）和黑粉病（U8）的抗性（图1），具有重要的育种价值。
团队前期分别从中国小麦地方品种“葫芦头”和野生二粒小麦中，克隆到编码新型串联激酶的广谱抗白粉病基因Pm24和Pm36。
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▲图1 串联激酶类抗病基因研究进展
通过筛选“葫芦头”携带的抗白粉病基因Pm24（WTK3）诱变突变体库，研究团队筛选到多个感白粉病突变体，利用突变体进行RNA测序，鉴定出WTK3抗病通路的关键因子WTN1。
WTK3有两个重要的“功能模块”，第一模块的作用是识别病原菌释放的“攻击信号”-效应蛋白。当WTK3感知到病原菌入侵，WTK3的第二个模块启动，衔接和激活WTN1，形成WTK3-WTN1“防御小分队”。
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▲图2 WTN1（Wheat Tandem NBD 1）与串联激酶WTK3协同赋予小麦白粉病的抗性
“防御小分队”迅速被动员起来，形成高分子复合物，组装成抗病小体，激活超敏反应和细胞程序化死亡（图3、4），达到抗病的目的。
研究团队还惊喜地发现WTK3不仅抗小麦白粉病，还能够识别麦瘟病菌并触发免疫反应。
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▲图3 WTK3和Rwt4识别效应蛋白PWT4激活WTN1引起细胞死亡
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▲图4 Rwt4/WTK3识别PWT4后，激活WTN1形成钙离子通道
02
走向田间 助力育种
该项研究突破了植物免疫领域内对串联激酶作用机制的认知，揭示了麦类作物串联激酶抵御病原菌入侵的全新免疫机制，为作物广谱多抗品种精准设计奠定了理论和应用基础。
团队经过多年的回交转育和分子标记辅助选择育种，已将Pm24（WTK3）基因导入到多个高产小麦底盘品种（图5），创制的高产抗病新种质，已无偿发放给国内多家单位进行抗病育种利用。
这些研究成果，有望解决我国小麦主产区缺乏广谱抗白粉病基因资源问题，同时为防控麦瘟病提前建立潜在的遗传屏障，为我国农业可持续发展和产业升级提供重要的理论和技术支持。
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▲图5 小麦抗病基因Pm24（WTK3）的高产抗病新种质
来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所
责任编辑：宋同舟