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)家需要對植物如何限制病原體有一個基本的了解。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,因為它們的基因組龐大且重復(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)展促進了小麥非經(jīng)典R基因家族的發(fā)現(xiàn)。
植物已經(jīng)進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,可以識別所有病原體類別。植物免疫受體在結(jié)構(gòu)上與動物免疫受體相似,包括模式識別受體以及細(xì)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合的富含亮氨酸重復(fù)序列(NLR)受體植物模式識別受體是受體樣激酶(RLKs)或受體樣蛋白,可以識別保守的病原體或損傷相關(guān)的分子模式。NLR受體識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,從而對植物免疫信號有了詳細(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)的兩個研究團隊在《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,介紹了兩團隊首次鑒定到兩個具有新結(jié)構(gòu)域的小麥抗病基因,這兩個新基因的結(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,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。對此,首個研究團隊開發(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),研究團隊實現(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編碼一個不典型的串聯(lián)激酶融合蛋白
第二研究團隊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)基因表達可對不同莖銹病病原體分離株具有高水平的抗性。研究團團隊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,融合了一個蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和兩個未知結(jié)構(gòu)域DUF(圖3)。
圖3 Sr43編碼融合兩個DUF結(jié)構(gòu)域的蛋白激酶
研究團隊通過基因互補實驗證實了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,該團隊發(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DUF的獨特的激酶融合蛋白(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。兩個研究團隊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)因子會逐漸得到更多研究者的重視。
—— 參考文獻 ——
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),并可實現(xiàn)單日最高一萬SSR數(shù)據(jù)點,以及數(shù)以十萬計的SNP數(shù)據(jù)點檢測。應(yīng)用領(lǐng)域:
● 玉米、大豆、水稻等作物品種真實性鑒定 | ● 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,針對優(yōu)良自交系的個別“短板”進行“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。