近日，生命科学学院何华纲团队联合多家单位在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表题为“A kinase fusion protein from Aegilops longissima confers resistance to wheat powdery mildew”的研究论文，报道了来源于高大山羊草的小麦抗白粉病基因Pm13的克隆，并揭示了其生化功能和进化特性。开云官方注册-开云(中国)生命科学学院为第一完成单位，何华纲为第一作者兼通讯作者，合作单位中国科学院分子植物科学卓越创新中心王亚军研究员为共同通讯作者，硕士研究生陈昭昭为共同第一作者，硕士研究生王甲乐、张倩渊参加了部分工作。
白粉病是威胁我国小麦粮食安全的重要病害之一，挖掘和克隆抗白粉病基因进而提高小麦品种的抗白粉病能力是当前小麦抗病育种的重要任务。高大山羊草是小麦的一个野生物种，两者的远缘杂交后代中携带了抗白粉病基因Pm13，它对不同地区的白粉菌菌株具有良好抗性，然而交换抑制阻碍了该基因的克隆和育种利用。
该研究利用60Co-γ射线对携带Pm13的易位系No.3778进行辐照，创制了10个感白粉病的染色体缺失系，借助分子标记将Pm13定位到0.74 Mb的物理区间。接着对野生型材料和EMS诱导的感病突变体进行转录组测序分析，将一个新型融合激酶蛋白基因MLKL-K鉴定为候选基因，随后进行基因枪介导的瞬时表达分析和农杆菌介导的转基因分析，证实MLKL-K就是目的基因Pm13，对小麦提供了高效的白粉病抗性。
Pm13编码的激酶融合蛋白具有特殊的结构，在N端含有一个混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL_NTD）结构域，在C端含有一个丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，两者中间有一段含3个α螺旋的衔接序列（Brace）。烟草叶片和小麦叶片原生质体瞬时表达分析发现，融合片段Brace-Kinase122 -476能够诱导细胞死亡，而全长蛋白和单独的结构域/区段（MLKL_NTD、Brace和Kinase）都不能诱导细胞死亡。该结果表明，Pm13介导的白粉病抗性依赖于功能性的激酶结构域和邻近激酶结构域的Brace区域的3个α螺旋，但在没有病原菌的情况下，激酶融合蛋白处于失活的自抑制状态。在动物和拟南芥中，MLKL蛋白是假激酶，细胞死亡活性由MLKL_NTD结构域或MLKL-Brace融合片段介导，与之相比，Pm13编码的MLKL-K是真激酶，其生化功能具有独特性。
调查发现，含MLKL_NTD结构域的蛋白质在植物界广泛存在。在禾本科植物中，含MLKL_NTD结构域的蛋白质呈现明显的多样性，MLKL_NTD结构域可能以单个或两个串联的方式存在，也可能与STK、WD40、BRX、NLR等融合形成新的蛋白质。MLKL-K来源于较新的基因融合事件，已扩展为小麦族中含MLKL_NTD结构域的蛋白质的主要类型。
总结而言，这项研究成功克隆了来源于高大山羊草的广谱抗白粉病基因Pm13，并揭示了其编码的激酶融合蛋白的生化功能和进化特性，有助于促进Pm13在小麦抗白粉病育种中的应用，也为进一步解析Pm13介导的白粉病抗性的分子机理奠定了基础。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。（生命科学学院）
文章链接：http://www.nature.com/articles/s41467-024-50909-6
