近日，The Plant Journal 在线发表了由南京农业大学植物保护学院稻麦真菌病害与控制团队完成的题为 “Overexpression of plant chitin receptors in wheat confers broad-spectrum resistance to fungal diseases” 研究论文。该研究系统揭示了单子叶植物和双子叶植物几丁质受体参与免疫应答的保守和差异功能，过表达几丁质受体CERK1基因，能够提升小麦广谱抗真菌病害的潜力。
该研究首先通过序列比对、结构预测和分子对接分析，比较了双子叶拟南芥和单子叶禾本科作物（如水稻、大麦和小麦）几丁质受体同源蛋白的差异，发现作物的CERK1s（TaCERK1、OsCERK1）与拟南芥的AtCERK1尽管在结构上有高度保守性，但是在LysM结构域的几丁质结合能力上有差异，AtCERK1表现出更高的结合亲和力。进一步通过分子和生化实验比较了拟南芥、小麦、大麦和水稻中的CERK1蛋白在几丁质识别及免疫反应激活上的差异，结果表明，拟南芥的AtCERK1能够独立有效地识别几丁质并激活下游的免疫信号通路，如MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）磷酸化、活性氧（ROS）爆发和防御基因表达等，表现出比禾本科作物CERK1更强的免疫反应。在禾本科作物中，尽管CERK1也能识别几丁质，但是与另一共受体CEBiP协同作用才能更加有效激活几丁质诱导的免疫反应（图1）。AtCERK1不仅在几丁质结合上表现出更高的亲和力，还能更强地启动免疫信号传导，这使得它在提升广谱抗病性方面具有更大的应用潜力。
图1：不同植物CERK1成员参与几丁质识别及免疫反应激活的功能分析
通过转基因手段，在小麦中过表达拟南芥AtCERK1和小麦自身的TaCERK1，并比分析了这两种受体在提升小麦抗真菌病害方面的效果。研究发现，过表达的AtCERK1和TaCERK1小麦株系对多种真菌病害（赤霉病、茎基腐病、条锈病和白粉病）均表现出显著的抗性提升，其中AtCERK1过表达材料相较于TaCERK1表现出更优越的抗病性（图2和图3）。同时，在这些病害侵染过程中，过量表达AtCERK1的小麦植株表现出更加高效的免疫应答。过度激活免疫系统会导致作物的生长抑制造成产量下降，本研究通过多个转基因株系分析发现，选择适度表达的CERK1转基因植株，可以在不影响小麦生长与产量的前提下，显著增强抗病性。综上所述，本研究系统揭示了不同植物几丁质受体成员在免疫应答功能上的保守性和差异性，并提出了通过利用植物几丁质受体来增强小麦广谱抗病性的潜在策略。
图2：过表达CERK1增强小麦对赤霉病和茎基腐病的抗性
图3：过表达CERK1增强小麦对条锈病和白粉病的抗性
南京农业大学植物保护学院李刚教授为论文通讯作者，已毕业硕士研究生王黎榕、江苏省农科院粮作所小麦遗传育种团队何漪研究员和南京农业大学植保学院在读博士生郭歌为论文第一作者。南京农业大学植物保护学院稻麦真菌病害与控制团队负责人张正光教授参与了该研究工作。感谢南京农业大学王秀娥教授和山东省农业科学院李根英研究员对本研究的建议和帮助。该研究得到国家重点研发计划、江苏省种业“揭榜挂帅”、江苏省农业自主创新等项目的支持。
https://doi.org/10.1111/tpj.17035
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