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）下養活日益增長的世界人口是人類面臨的最緊迫挑戰之一。小麥是一種主要的糧食作物，提供人類飲食中20%以上的熱量和蛋白質，以及維生素、膳食纖維和植物化學物質。病原菌和害蟲每年造成面包小麥20%的全球產量損失。為了實施有效的基因和生物技術方法來減少疾病造成的損失，科學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性，因為它們的基因組龐大且重復性豐富。近年來，基于基因組學的基因克隆技術的發展促進了小麥非經(jing)典R基因家族的發現。
植物(wu)已經進(jin)化出一(yi)種(zhong)先天免(mian)疫(yi)(yi)(yi)系(xi)統，該系(xi)統由種(zhong)系(xi)編碼的(de)(de)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)組成，可以識(shi)別(bie)(bie)所有病原體(ti)(ti)(ti)類別(bie)(bie)。植物(wu)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)結構上(shang)與動物(wu)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)似，包(bao)括模(mo)式識(shi)別(bie)(bie)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)以及細胞內核苷酸(suan)結合的(de)(de)富含亮氨(an)酸(suan)重復序列(lie)（NLR）受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)植物(wu)模(mo)式識(shi)別(bie)(bie)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)是受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)樣(yang)(yang)激酶（RLKs）或(huo)(huo)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)樣(yang)(yang)蛋白，可以識(shi)別(bie)(bie)保守的(de)(de)病原體(ti)(ti)(ti)或(huo)(huo)損傷相(xiang)(xiang)(xiang)關的(de)(de)分子(zi)模(mo)式。NLR受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)識(shi)別(bie)(bie)在(zai)(zai)感(gan)染過程(cheng)中(zhong)輸送(song)到(dao)植物(wu)細胞中(zhong)的(de)(de)各種(zhong)病原體(ti)(ti)(ti)效應蛋白。在(zai)(zai)過去的(de)(de)30年里，這兩種(zhong)類型的(de)(de)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)受(shou)(shou)體(ti)(ti)(ti)都得到(dao)了深入的(de)(de)研究，從而對(dui)植物(wu)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)信(xin)號有了詳(xiang)細的(de)(de)了解(jie)。然而，相(xiang)(xiang)(xiang)比之下(xia)，非經典R基(ji)因(yin)的(de)(de)作用(yong)相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)未被探索，其中(zhong)一(yi)些基(ji)因(yin)具有持(chi)久的(de)(de)抗性。
近(jin)日，阿(a)卜杜拉國王科(ke)技大學的兩個研究團(tuan)隊(dui)在《Nature Genetics》背靠背在線發表了題為“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(ci)鑒(jian)定到兩(liang)個(ge)具有(you)新結構域(yu)的小(xiao)麥抗病基(ji)因，這(zhe)兩(liang)個(ge)新基(ji)因的結構域(yu)均(jun)來自小(xiao)麥野(ye)生(sheng)近緣種(zhong)，是激酶與其他結構域(yu)的融(rong)合體——激(ji)酶融合(he)蛋白（KFPs）。兩項研究描述了激(ji)酶融合蛋白（KFPs）如(ru)何調節小麥病原菌感知和詭計(ji)，KFPs作為新型植物免疫調節因子，豐(feng)富了小麥抗性基(ji)因庫(ku)，為小麥分子育種提供更多的基(ji)因資源。
圖1 植物天然免(mian)疫受體和激(ji)酶融合(he)蛋(dan)白（KFPs）的結構域
小麥葉銹病抗病位點Lr9位(wei)(wei)于小(xiao)麥(mai)6B染(ran)色(se)體(ti)(ti)長臂的(de)(de)(de)末(mo)端(duan)，該片段是由小(xiao)麥(mai)研究(jiu)先驅Ernest Sears在1950年代采用種間雜交與X射線(xian)輻照相(xiang)結合(he)的(de)(de)(de)方法(fa)從小(xiao)傘(san)山(shan)羊(yang)草導入普通小(xiao)麥(mai)的(de)(de)(de)染(ran)色(se)體(ti)(ti)易位(wei)(wei)片段。這種輻射導致(zhi)的(de)(de)(de)非同(tong)源染(ran)色(se)體(ti)(ti)易位(wei)(wei)會出現嚴重的(de)(de)(de)重組抑(yi)制，無法(fa)通過傳統(tong)的(de)(de)(de)圖位(wei)(wei)克(ke)隆策略克(ke)隆易位(wei)(wei)片段上的(de)(de)(de)Lr9基(ji)因。對此(ci)，首個研(yan)究(jiu)團隊開(kai)發了一種(zhong)基(ji)于EMS突(tu)變(bian)體轉(zhuan)錄(lu)組(zu)測(ce)序(xu)的基(ji)因克隆技(ji)術(shu)(shu)（簡稱MutIsoSeq），這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)(shu)綜合(he)運用了EMS誘(you)變(bian)及突(tu)變(bian)體篩選、野生型材(cai)料PacBio三代(dai)全長轉(zhuan)錄(lu)組(zu)測(ce)序(xu)、突(tu)變(bian)體二代(dai)轉(zhuan)錄(lu)組(zu)測(ce)序(xu)及后續的數據分析，能夠(gou)將目標基(ji)因的轉(zhuan)錄(lu)本跟表型直(zhi)接關(guan)聯。利用MutIsoSeq技(ji)術(shu)(shu)，研究(jiu)團隊實現(xian)了完(wan)全不依(yi)賴于重組和遺傳定(ding)位的(de)Lr9的克隆（圖(tu)2）。
圖(tu)2 Lr9和Lr58編碼一個不典型的串聯(lian)激酶融合蛋白
第二研究團隊(dui)則成功(gong)克(ke)隆了小麥莖銹病(bing)抗性(xing)基因Sr43，編碼了一(yi)種激酶(mei)融(rong)合(he)蛋白，其(qi)激酶(mei)結構(gou)域可能來(lai)源于早期的(de)異位重組事(shi)件(jian)；Sr43介導(dao)的抗(kang)性具有物種特異(yi)性和(he)溫度(du)敏感性，其轉(zhuan)基(ji)因表達(da)可對不同莖(jing)銹(xiu)(xiu)病(bing)(bing)病(bing)(bing)原體分離株具有高水平的抗(kang)性。研(yan)究(jiu)團團隊成功克隆到從長穗偃麥草(cao)轉(zhuan)移到面(mian)包小麥中的莖(jing)銹(xiu)(xiu)病(bing)(bing)抗(kang)性基(ji)因Sr43。經鑒定，Sr43為一(yi)種(zhong)激酶(mei)融(rong)合蛋白(bai)，融(rong)合了一(yi)個蛋白(bai)激酶(mei)結構域(yu)和兩個未知結構域(yu)DUF（圖(tu)3）。
圖3 Sr43編(bian)碼融合兩個DUF結構域(yu)的蛋白激酶
研究團隊通過(guo)基因互(hu)補實驗證實了Sr43的(de)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。通過同源序列分析，該團隊發現Sr43基因可能通過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，且大部分都表現出物種特異性的抗性。
圖4 Sr43的功能驗證及其(qi)小種(zhong)特異性(xing)和溫度敏感性(xing)
綜上(shang)所述(shu)，與作物野生(sheng)近緣種相(xiang)比(bi)，馴化(hua)和作物改良(liang)大大降低(di)了遺傳(chuan)多樣性。兩(liang)個(ge)研究(jiu)團隊的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)證明(ming)了作(zuo)(zuo)物(wu)野(ye)生近緣種(zhong)作(zuo)(zuo)為多(duo)樣化非經(jing)典R基因庫(ku)的(de)來(lai)源對于(yu)抗性(xing)育(yu)種(zhong)和全球(qiu)糧食安全的(de)重(zhong)要性(xing)。KFPs作(zuo)(zuo)為植物(wu)免疫新型調節(jie)因子會逐(zhu)漸得到更(geng)多(duo)研究(jiu)者的(de)重(zhong)視。
—— 參(can)考文(wen)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. .
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. .
分(fen)子(zi)標記開發與檢測服務
根據(ju)(ju)目標(biao)DNA/基因序列(lie),可(ke)開發(fa)高(gao)(gao)效的分子(zi)標(biao)記（SNP-KASP、SSR等），并可(ke)實現(xian)單日最高(gao)(gao)一萬(wan)SSR數據(ju)(ju)點，以(yi)及數以(yi)十萬(wan)計的SNP數據(ju)(ju)點檢(jian)測。應用領域：
| ● 玉(yu)米、大豆、水稻等(deng)作物(wu)品種真實(shi)性鑒定(ding) | ● 基因(yin)精細定位 |
| ● 玉米、大豆(dou)、水稻(dao)等作(zuo)物品種(zhong)一致性(xing)檢測 | ● 種質資源分析 |
| ● 玉米、大豆(dou)、水(shui)稻等作物品種純度(du)檢測(ce) | ● 分子(zi)標記(ji)輔助育種 |
分子標記輔(fu)助(zhu)選擇(ze)/回交育種(zhong)服務
利用分子標記輔助目(mu)標基(ji)因選(xuan)擇(ze)、背景(jing)選(xuan)擇(ze)和去(qu)連鎖選(xuan)擇(ze)，針對優(you)良自(zi)(zi)交系的個別“短(duan)板”進行“定向”改(gai)良，回交不超過3代，獲得與原自(zi)(zi)交系一致或高度相似(si)的新材料。應用(yong)領域：水稻(dao)、玉(yu)米、大豆、小麥等(deng)作物定向改良。