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专家点评Cell | 周俭民/陈宇航合作解析广谱抗根肿病基因“卫青”的分子机制

花匠小妙招
2024-10-11 04:46

自上个世纪二十年代在我国台湾和福建地区发现根肿病以来，我国根肿病的发生面积不断增加。尤其是近年来，随着农业机械化的不断发展，根肿病在我国呈快速蔓延的趋势，根肿病的发生面积约占全国十字花科作物种植面积的30%。利用抗病基因改造农作物抗病性是防治病害最为绿色经济高效的方式，但已知的根肿病抗病基因数目少、机制研究薄弱，且田间已经出现了新菌株，导致现有抗根肿病基因抗性丧失。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。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航和周俭民合作团队在Cell上发表了题为“WeiTsing, a pericycle-expressed ion channel, safe-guards the stele and confers broad-spectrum resistance to clubroot”的研究论文。该研究综合运用遗传学、生物化学、结构生物学、电生理学等手段，成功克隆了广谱高抗根肿病基因WeiTsing (WTS, 卫青)，解析了WTS五聚体的三维结构并揭示了其阳离子通道功能，阐明了WTS介导钙信号激活植物免疫应答的分子机制。

周俭民团队长期研究植物免疫机制，前期通过与清华大学研究柴继杰等团队合作，于2019年在国际上首次发现了植物抗病小体，揭示了植物NLR 家族抗病蛋白激活免疫的核心机制，解决了困扰植物免疫领域二十多年的难题，成果入选2019年度中国生命科学十大进展（点击查看：）。随后，周俭民团队与遗传发育所的陈宇航团队、何康敏团队及清华大学的柴继杰团队合作，于2021年解析了经典抗病小体ZAR1的离子通道功能，明确了钙离子作为植物激活免疫的初始信号（点击查看：）。陈宇航团队与清华大学柴继杰团队合作，于2022年解析了小麦抗病小体Sr35的离子通道活性，进一步支持了植物免疫的钙信号理论（点击查看：。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了丰富的经验。

针对十字花科作物根肿病害这一重大问题，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，分离鉴定到了高抗根肿病基因WTS并阐明了其分子机制。WTS编码一个从未报道过的蛋白，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WTS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WTS是一个广谱抗性基因。因此WTS在油菜抗根肿病分子育种中有很好的应用价值。进一步研究发现，当根肿菌侵染时，WTS在中柱鞘细胞中特异表达并自我装配为定位于内质网的新型钙离子通道，通过介导内质网钙离子释放激活下游免疫反应，从而保护根部维管束系统免受病菌的侵害。WTS在中柱外围形成保护屏障，与秦汉在北部山区建立防线、抗击匈奴，具有相似性，因此借用西汉将领卫青命名该基因。

图1 WTS的作用机制。WTS编码定位于内质网的钙离子通道，通过介导钙释放触发下游免疫反应，抵御根肿菌的入侵、保护植物维管束系统。

综上所述，植物不仅可以通过传统的抗病小体激活钙信号，还能利用NLR家族以外的其它蛋白，组装成全新的离子通道来激活钙信号和免疫反应。不同于质膜定位的抗病小体，WTS复合物定位于内质网，表明其为钙离子释放通道，这也是在植物中首次发现钙离子释放通道；此外，WTS在根部特异细胞层的诱导和作用方式，对其它土传病害抗性机制的研究有重要借鉴意义。

中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员王伟、博士后秦力、博士生张文静及唐凌汇为该篇论文的第一作者；陈宇航、周俭民与王伟为论文的共同通讯作者。参加这项工作的还有四川农业大学的黄云团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所的粱承志团队。该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然基金及中科院战略先导专项的支持。

专家点评

何祖华（中科院分子植物科学卓越创新中心研究员）

十字花科植物的根肿病是世界性的土传病害，对我国重要油料作物油菜和很多蔬菜作物如大白菜、甘蓝、榨菜等危害严重。尤其由于其土传特性，病菌孢子在土壤中可以成活多年时间，导致连作的十字花科作物很难根除该病害，因此在农业生产中常采用作物轮作来减轻病害。另一方面国内外对根肿病的抗病基因分离和育种也较为重视，抗病品种的推广在很大程度上抑制了该病害的严重危害，但育种上广谱抗根肿病的基因较少。周俭民、陈宇航团队的最新研究，发掘出了拟南芥了广谱高抗根肿病基因WTS并阐明了其分子机制。研究发现WTS受病原菌诱导在中柱鞘细胞中特异表达，为一类定位于内质网的新型钙离子通道。该成果揭示了一种新的钙信号调控的免疫激活形式。尤其重要的是携带WTS的油菜具有对多个根肿菌的高度抗性。因此，WTS在十字花科作物抗根肿病分子育种中有很好的应用价值。