中国科学家成功克隆广谱抗根肿病基因 以西汉名将卫青命名

来源:中国新闻网

2023-06-09 08:59

记者从中国科学院遗传与发育生物学研究所(中科院遗传发育所)获悉,该所陈宇航和周俭民研究员合作团队最近成功克隆广谱抗根肿病基因,阐明其作用机制,并以中国西汉著名将领卫青(WeiTsing)的名字为该基因命名(英文名WTS)。

“卫青”基因(WTS)的作用机制。 中科院遗传发育所 供图

这一植物抗病领域重要研究成果论文,北京时间6月8日夜间在国际著名学术期刊《细胞》(Cell)上线发表。该项研究不仅在十字花科作物抗根肿病育种中有良好应用前景,更为重要的是在植物中首次发现了新型钙离子释放通道及其介导的免疫机制,也成为继发现植物抗病小体后,中国科学家在该领域取得的又一项重大理论突破。

受到根肿病侵害的油菜根部肿大症状。 四川农业大学副教授杨辉 供图

中科院遗传发育所介绍说,根肿病是油菜等十字花科作物农业生产上危害最大的病害,针对十字花科作物根肿病害防治这一重大问题,陈宇航和周俭民团队综合利用遗传学、生物化学、结构生物学及生理学等方法,分离鉴定并成功克隆高抗根肿病基因“卫青”,还阐明了其分子机制。“卫青”基因编码一个从未报道过的跨膜蛋白,导入油菜后不仅表现出良好的抗性,生长发育也完全正常;携带“卫青”基因的油菜作对多个根肿菌表现为高抗,包括在现有抗性品种上表现出高致病力的菌株,表明“卫青”是一个广谱抗性基因,因此,“卫青”基因在油菜抗根肿病分子育种中有很好的应用价值。

合作团队进一步研究发现,“卫青”基因形成一个新型的五聚体结构,中间具有一个跨膜孔道。电生理学和钙成像研究揭示其可通透钙离子。当根肿菌侵染时,“卫青”基因在中柱鞘细胞中特异表达并自组装成为定位于内质网的钙离子通道,通过介导内质网钙离子释放激活下游免疫应答过程,从而保护根部维管束系统免受病原菌的侵害。该基因在中柱外围形成保护屏障,与秦汉时期在北部山区建立防线、抗击匈奴,具有相似性,因此被团队借用西汉名将卫青来命名。

研究团队指出,他们这项最新合作研究成果表明,植物不仅可以通过传统的免疫受体NLR家族蛋白形成抗病小体来激活钙信号,还能利用非NLR家族蛋白组装成全新的离子通道来介导钙信号和免疫反应。不同于质膜定位的抗病小体(如ZAR1和SR35),“卫青”离子通道定位于内质网。这也是在植物中首次发现的新型钙离子释放通道。此外,“卫青”基因在根部特异细胞层的诱导和作用方式,对其他土传病害抗性机制的研究有重要借鉴意义。

据了解,油菜等十字花科作物根肿病每年在中国的发病面积达4800万-6000万亩,根肿菌在土壤中可存活20年,耕地一旦被污染,将不再适合种植十字花科作物。自20世纪20年代在中国台湾和福建地区发现根肿病以来,中国根肿病的发生面积不断增加。尤其是近年来,随着农业机械化不断发展,根肿病在中国呈快速蔓延的趋势,因此,挖掘高效广谱抗根肿病基因是抗根肿病育种面临的巨大挑战。

大田生长的油菜。 安徽农科院研究员胡宝成 供图

中科院遗传发育所周俭民、陈宇航团队在植物抗病基因鉴定、功能研究、结构解析及通道活性鉴定等方面积累有丰富经验。此前,周俭民团队通过与清华大学等相关团队合作,2019年在国际上首次发现植物抗病小体,揭示植物NLR家族抗病蛋白激活免疫的核心机制,解决困扰植物免疫领域20多年的难题。随后,周俭民团队与陈宇航团队等合作,2021年揭示经典抗病小体ZAR1的离子通道功能,明确钙离子为植物激活免疫的初始信号;2022年解析小麦抗病小体SR35的离子通道活性,进一步支持植物免疫的钙信号理论。

(记者 孙自法)

责任编辑:林铃锦
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