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根腫病是油菜等十字花科作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上危害最大的病害，每年在我國的發(fā)病面積達4800-6000萬畝。根腫菌在土壤中可存活二十年，耕地一旦被污染，將不再適合種植十字花科作物。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陳宇航和周儉民合作團隊，克隆了廣譜抗根腫病基因WeiTsing（WTS,?衛(wèi)青）并闡明了其作用機制。WTS介導(dǎo)植物對多種根腫菌的抗性，在十字花科作物抗根腫病育種中有良好應(yīng)用前景。相關(guān)研究于2023年6月8日發(fā)表于《細胞》。?
自上個世紀二十年代在我國臺灣和福建地區(qū)發(fā)現(xiàn)根腫病以來，我國根腫病的發(fā)生面積不斷增加。尤其是近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷發(fā)展，根腫病在我國呈快速蔓延的趨勢，根腫病的發(fā)生面積約占全國十字花科作物種植面積的30%。利用抗病基因改造農(nóng)作物抗病性是防治病害最為綠色經(jīng)濟高效的方式，但已知的根腫病抗病基因數(shù)目少、機制研究薄弱，且田間已經(jīng)出現(xiàn)了新菌株，導(dǎo)致現(xiàn)有抗根腫病基因抗性喪失。因此，挖掘高效廣譜抗根腫病基因是抗根腫病育種面臨的巨大挑戰(zhàn)。?
周儉民團隊長期研究植物免疫機制，前期通過與清華大學(xué)研究柴繼杰等團隊合作，于2019年在國際上首次發(fā)現(xiàn)了植物抗病小體，揭示了植物NLR家族抗病蛋白激活免疫的核心機制，解決了困擾植物免疫領(lǐng)域二十多年的難題，成果入選2019年度中國生命科學(xué)十大進展。隨后，周儉民團隊與遺傳發(fā)育所的陳宇航團隊、何康敏團隊及清華大學(xué)的柴繼杰團隊合作，于2021年揭示了經(jīng)典抗病小體ZAR1的離子通道功能，明確了鈣離子作為植物激活免疫的初始信號。陳宇航團隊與清華大學(xué)柴繼杰團隊合作，于2022年解析了小麥抗病小體Sr35的離子通道活性，進一步支持了植物免疫的鈣信號理論。周儉民、陳宇航團隊在植物抗病基因鑒定、功能研究、結(jié)構(gòu)解析及通道活性鑒定等方面積累了豐富的經(jīng)驗。?
針對十字花科作物根腫病害這一重大問題，陳宇航和周儉民團隊綜合利用遺傳學(xué)、生物化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)及生理學(xué)等方法，分離鑒定到了高抗根腫病基因WTS并闡明了其分子機制。WTS編碼一個從未報道過的蛋白，導(dǎo)入油菜后不僅表現(xiàn)出良好的抗性，生長發(fā)育也完全正常；攜帶WTS的油菜作對多個根腫菌表現(xiàn)為高抗，包括在現(xiàn)有抗性品種上表現(xiàn)出高致病力的菌株，表明WTS是一個廣譜抗性基因。因此WTS在油菜抗根腫病分子育種中有很好的應(yīng)用價值。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當根腫菌侵染時，WTS在中柱鞘細胞中特異表達并自我裝配為定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的新型鈣離子通道，通過介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放激活下游免疫反應(yīng)，從而保護根部維管束系統(tǒng)免受病菌的侵害。WTS在中柱外圍形成保護屏障，與秦漢在北部山區(qū)建立防線、抗擊匈奴，具有相似性，因此借用西漢將領(lǐng)衛(wèi)青命名該基因。?
該成果表明，植物不僅可以通過傳統(tǒng)的抗病小體激活鈣信號，還能利用NLR家族以外的其它蛋白，組裝成全新的離子通道來激活鈣信號和免疫反應(yīng)。不同于質(zhì)膜定位的抗病小體，WTS復(fù)合物定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，表明其為鈣離子釋放通道，這也是在植物中首次發(fā)現(xiàn)鈣離子釋放通道；此外，WTS在根部特異細胞層的誘導(dǎo)和作用方式，對其它土傳病害抗性機制的研究有重要借鑒意義。?
遺傳發(fā)育所副研究員王偉、博士后秦力、博士生張文靜及唐凌匯為該篇論文的第一作者；陳宇航研究員、周儉民研究員與王偉副研究員為論文的共同通訊作者。參加這項工作的還有四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的黃云團隊和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的梁承志團隊。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然基金及中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項的支持。?
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