2024年9月29日，河南农业大学刘文轩教授课题组在国际著名学术期刊《Nature Communications》在线发表了题为“An Aegilops longissima NLR protein with integrated CC-BED module mediates resistance to wheat powdery mildew”的研究论文。 这是继今年3月和6月之后，该课题组半年内在《Nature Communications》连续发表的第三篇高水平论文。三项创新性成果的发表，集中展示了该课题组在小麦抗白粉病基因克隆领域取得的重大突破，不仅是课题组科研实力的体现，更是向全球粮食安全贡献的一份重要力量。
三篇论文详细解读：
小麦作为世界重要的粮食作物，其产量和质量直接关系到全球粮食安全。白粉病是小麦主要病害之一，严重威胁着小麦的安全生产。鉴定和部署抗性基因被公认是防治该病害最经济有效且环境可持续的途径。至今为止，已有超过100个抗小麦白粉病基因或位点被发现，其中20个基因已被克隆，这些基因大多编码NLR类抗病蛋白。刘文轩课题组将来自小麦野生近缘属山羊草的抗病新基因导入小麦，并连续成功克隆了三个具有创新性的小麦抗白粉病基因——Pm13 、Pm57 和Pm6Sl 。其中Pm13 基因编码一种全新的MLKL抗病蛋白，这种蛋白融合了Kinase结构域与MLKL_NTD结构域，这在植物抗病基因中尚属首次报道；Pm57 基因则编码一个包含vWA结构域的新型串联激酶抗病蛋白，是目前唯一来源于西尔斯山羊草的抗小麦白粉病基因，也是首个被鉴定编码串联激酶结构域和vWA结构域的抗小麦白粉病基因。
该课题最新克隆的Pm6Sl 是来自高大山羊草的抗小麦白粉病基因。该项研究将传统图位克隆技术与现代基因组学手段相结合，综合基因精细定位、Pm6Sl 感病突变体转录组测序、基因沉默和转基因功能验证多重结果，成功克隆了Pm6Sl 。该基因编码一个整合CC-BED模块的NLR蛋白，是首个被鉴定出编码BED-NLR类蛋白的抗白粉病基因。研究发现Pm6Sl的CC-BED模块具有触发细胞死亡的独特能力，这一特性在其他禾本科BED-NLR抗病蛋白中并不普遍，揭示了BED-NLR类蛋白在抗病机制中可能存在的多样化作用模式。此外，创制了无不良性状连锁的Pm6Sl 新种质及其配套的诊断型分子标记pm6sl-1 。这三项研究成果不仅极大地丰富了植物抗病基因的类型和抗病机制的理解，更为小麦抗白粉病新品种的培育提供了宝贵的基因资源和理论指导。
图1 Pm6Sl基因图位克隆与候选基因功能验证
图2 Pm6Sl小片段重组体农艺性状评价及其诊断型标记开发
在读博士生马超与已毕业硕士田修斌（现为中国科学院遗传发育研究所在读博士生）为论文共同第一作者，赵月副教授、刘倩雯博士与中国科学院遗传发育研究所赵玉胜研究员为论文共同通讯作者；课题组刘文轩教授、李欢欢副教授与已毕业硕士生董振杰付出了辛勤的工作；我校殷贵鸿教授，南京农业大学曹爱忠教授，山东省农业科学院刘成研究员等参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：
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近日，河南农业大学刘文轩教授课题组在国际著名学术期刊《 Nature Communications》在线发表了题为“ Pm57 from Aegilops searsii encodes a tandem kinase protein and confers wheat powdery mildew resistance”的研究论文。该研究图位克隆了来自小麦野生近缘植物西尔斯山羊草的抗白粉病基因Pm57 ，发现其编码一个新型串联激酶抗病蛋白，对目前已知的所有小麦白粉菌表现高抗或免疫，是一个具有重大应用价值的广谱抗病新基因。并创制了微小片段易位系，促进该基因的育种利用。
小麦是我国最重要的粮食作物之一，其生产安全和供给稳定密切关系着我国粮食安全。然而，小麦生产极易受到各种病害的影响，其中由禾本科布氏白粉菌小麦专化型（Blumeria graminis f. sp. tritici , Bgt ）引起的小麦白粉病，是目前影响小麦产量和品质的主要病害之一，可造成严重的小麦产量损失与品质下降。克隆和利用抗白粉病基因，培育抗病小麦品种是防治该病害最经济有效的方法。
小麦野生近缘植物蕴藏着丰富的抗病、抗逆、优质等优异基因，是小麦遗传改良重要的基因资源库，可以通过远缘杂交将其优异基因导入普通栽培小麦中利用。目前在普通小麦中发现的近40%的抗性基因是在过去60年中从野生近缘种杂交到小麦中的。西尔斯山羊草是小麦族山羊草属二倍体物种，是小麦育种改良重要的基因来源。课题组利用河南省白粉菌流行混合生理小种，对一整套中国春-西尔斯山羊草附加系进行苗期白粉菌接种，鉴定到西尔斯山羊草2Ss染色体携带高抗小麦白粉病新基因，并定名为Pm57 。
图1. Pm57基因图位克隆与候选基因功能验证
进一步研究发现Pm57 基因对目前我国主要白粉菌流行小种具有全生育期、广谱抗病特征，利用中国春ph1b 突变体诱导部分同源染色体的重组配对，开展Pm57 基因的精细定位，结合MutRNA-Seq方法快速获得Pm57 的候选基因，该候选基因编码新型串联激酶蛋白。利用EMS突变体、BSMV-VIGS诱导基因沉默、转基因互补实验，验证了候选基因的功能。随后，基于Pm57 基因序列开发了诊断型分子标记，可在育种利用中有效追踪Pm57 基因。通过对获得的小片段易位系和转基因系的表型分析，发现其对重要农艺性状无明显不良影响，而且Pm57 在育种上还未被育种家利用，因此该基因在小麦抗白粉病遗传改良中有很大的利用潜力。
图2. Pm57小片段易位系和转基因系的产量性状评估
最后，本论文对Pm57 基因的表达模式、亚细胞定位、蛋白三维结构、组织病理学特征以及基因进化等进行了相关分析。该研究将促进抗性基因Pm57 的育种利用，为培育广谱抗白粉病小麦新品种提供了重要的基因资源和理论基础。
赵月副教授和已毕业硕士生董振杰（现为南京农业大学在读博士生）为论文共同第一作者，刘文轩教授、李欢欢副教授和美国南达科塔州州立大学Sunish K Sehgal教授为论文共同通讯作者；课题组已毕业硕士生苗敬南﹑田修斌，在读博士生马超、硕士生贺金秋，青年教师刘倩雯付出了辛勤的工作；我校毕惠惠助理研究员、姚文副教授和李涛副教授，南京农业大学曹爱忠教授，东北师范大学刘宝教授和张智斌教授，美国南达科塔州州立大学Harsimardeep S Gill博士等参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金、河南省科技攻关等项目资助。
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近日，刘文轩教授课题组在国际著名学术期刊《 Nature Communications》在线发表了题为“ Wheat powdery mildew resistance gene Pm13 encodes a mixed lineage kinase domain-like protein”的研究论文。 该研究成功克隆了小麦广谱抗白粉病基因Pm13，发现其编码Kinase结构域融合MLKL_NTD结构域的一种新型MLKL抗病蛋白，这种结构在植物抗病基因中还未见报道，Pm13基因的克隆为拓展植物抗病分子机理和小麦抗病分子育种应用奠定了重要基础。 小麦白粉病是由活体营养专性寄生真菌白粉菌（Blumeria graminis f. sp. tritici, Bgt）引起的一种世界性病害，严重影响小麦的产量和品质。
小麦野生资源蕴藏着丰富的抗病基因，将这些优异基因导入普通小麦，可以极大丰富小麦抗病基因资源，推动小麦抗病育种的发展，实现绿色安全农业生产。
早在1988年，英国学者就将高大山羊草染色体片段转入普通小麦中，随后发现高大山羊草染色体片段中含有高抗小麦白粉病基因，并将其命名为Pm13。该基因对我国小麦白粉病表现出良好的抗性。由于携带Pm13基因的外源染色体片段与普通小麦重组率极低，而且此片段在普通小麦背景下遗传不稳定，容易在后代中丢失，所以在生产中没有大量应用。本研究利用高频诱导部分同源染色体重组基因ph1b解决了外源染色体与小麦部分同源染色体之间不能交换重组的难题，创制了111个中国春-高大山羊草3Sl染色体发生交换的重组体，将Pm13精细定位在3Sl短臂端部124.43 kb区间（图1）。然后结合转录组测序，EMS诱导感病突变体分析、VIGS、转基因和等位性测验验证，最终克隆了Pm13基因（图2）。Pm13基因编码激酶结构域融合MLKL_NTD结构域的一种新型激酶融合蛋白（图2），目前该类型的激酶融合蛋白尚未在植物抗病基因中报道。Pm13基因的克隆为拓展植物抗病分子机理奠定重要基础。此外，该研究还开发了2个Pm13基因功能分子标记（AelMLKL-1和AelMLKL-8），创制了携带Pm13的微小外源片段重组体，为小麦抗白粉病育种提供了优异新种质及配套的Pm13分子标记辅助选择技术。
图1. 来自高大山羊草的抗小麦白粉病基因Pm13的图位克隆
图2. EMS感病突变体、VIGS和转基因对Pm13基因进行功能验证
青年教师李欢欢为论文第一作者，刘文轩、赵月和美国南达科塔州州立大学Sunish K Sehgal教授为论文通讯作者；课题组已毕业硕士生门文强﹑董振杰和田修斌，在读博士生马超和硕士生王超丽和刘倩雯老师付出了辛勤的工作；山东省农科院刘成研究员，烟台大学马鹏涛教授，东北师范大学刘宝教授和张智斌教授，美国南达科塔州州立大学Harsimardeep S Gill博士参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金等项目资助。
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