植物是全世界食物、衣物和住所的主要來(lái)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）下養活日益增長(cháng)的世界人口是人類(lèi)面臨的最緊迫挑戰之一。小麥是一種主要的糧食作物，提供人類(lèi)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(chóng)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(lái)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(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性，因為它們的基因組龐大且重復性豐富。近年來(lái)，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。

植物已經(jīng)進(jìn)化出一種先天免疫系統，該系統由種系編碼的免疫受體組成，可以識別所有病原體類(lèi)別。植物免疫受體在結構上與動(dòng)物免疫受體相似，包括模式識別受體以及細胞內核苷酸結合的富含亮氨酸重復序列（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(guò)程中輸送到植物細胞中的各種病原體效應蛋白。在過(guò)去的30年里，這兩種類(lèi)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(gè)研究團隊在《Nature Genetics》背靠背在線(xiàn)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(gè)具有新結構域的小麥抗病基因，這兩個(gè)新基因的結構域均來(lái)自小麥野生近緣種，是激酶與其他結構域的融合體——激酶融合蛋白（KFPs）。兩項研究描述了激酶融合蛋白（KFPs）如何調節小麥病原菌感知和詭計，KFPs作為新型植物免疫調節因子，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）的結構域

小麥葉銹病抗病位點(diǎn)Lr9位于小麥6B染色體長(cháng)臂的末端，該片段是由小麥研究先驅Ernest Sears在1950年代采用種間雜交與X射線(xiàn)輻照相結合的方法從小傘山羊草導入普通小麥的染色體易位片段。這種輻射導致的非同源染色體易位會(huì )出現嚴重的重組抑制，無(wú)法通過(guò)傳統的圖位克隆策略克隆易位片段上的Lr9基因。對此，首個(gè)研究團隊開(kāi)發(fā)了一種基于EMS突變體轉錄組測序的基因克隆技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)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(cháng)轉錄組測序、突變體二代轉錄組測序及后續的數據分析，能夠將目標基因的轉錄本跟表型直接關(guān)聯(lián)。利用MutIsoSeq技術(shù)，研究團隊實(shí)現了完全不依賴(lài)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，其激酶結構域可能來(lái)源于早期的異位重組事件；Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感性，其轉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(cháng)穗偃麥草轉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)蛋白激酶結構域和兩個(gè)未知結構域DUF（圖3）。

圖3 Sr43編碼融合兩個(gè)DUF結構域的蛋白激酶

研究團隊通過(guò)基因互補實(shí)驗證實(shí)了Sr43的抗病功能（圖4）。此外，Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感性。通過(guò)同源序列分析，該團隊發(fā)現Sr43基因可能通過(guò)異位重組事件將激酶結構域募集到DUF，從而形成了蛋白激酶結構域加兩個(gè)DUF的獨特的激酶融合蛋白（kinase fusion protein，KFP）。類(lèi)似的KFP還有Pm4、Snn3、Sm1、Tsn1、Yr36、Rpg5和Lr9，且大部分都表現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(gè)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(lái)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節因子會(huì )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.

分子標記開(kāi)發(fā)與檢測服務(wù)

根據目標DNA/基因序列,可開(kāi)發(fā)高效的分子標記（SNP-KASP、SSR等），并可實(shí)現單日最高一萬(wàn)SSR數據點(diǎn)，以及數以十萬(wàn)計的SNP數據點(diǎn)檢測。應用領(lǐng)域：

分子標記輔助選擇/回交育種服務(wù)

利用分子標記輔助目標基因選擇、背景選擇和去連鎖選擇，針對優(yōu)良自交系的個(gè)別“短板”進(jìn)行“定向”改良，回交不超過(guò)3代，獲得與原自交系一致或高度相似的新材料。應用領(lǐng)域：水稻、玉米、大豆、小麥等作物定向改良。