植物是全世界食物、衣物和住所的主要来源。在不断变化的气候和日益减少的外部投入（如水、化肥和可耕地）下养活日益增长的世界人口是人类面临的最紧迫挑战之一。小麦是一种主要的粮食作物，提供人类饮食中20%以上的热量和蛋白质，以及维生素、膳食纤维和植物化学物质。病原菌和害虫每年造成面包小麦20%的全球产量损失。为了实施有效的基因和生物技术方法来减少疾病造成的损失，科学家需要对植物如何限制病原体有一个基本的了解。然而，小麦族（包括小麦、大麦和黑麦）的抗病基因（R基因）的克隆仍然具有挑战性，因为它们的基因组庞大且重复性丰富。近年来，基于基因组学的基因克隆技术的发展促进了小麦非经典R基因家族的发现。
植物已经进化出一种先天免疫系统，该系统由种系编码的免疫受体组成，可以识别所有病原体类别。植物免疫受体在结构上与动物免疫受体相似，包括模式识别受体以及细胞内核苷酸结合的富含亮氨酸重复序列（NLR）受体植物模式识别受体是受体样激酶（RLKs）或受体样蛋白，可以识别保守的病原体或损伤相关的分子模式。NLR受体识别在感染过程中输送到植物细胞中的各种病原体效应蛋白。在过去的30年里，这两种类型的免疫受体都得到了深入的研究，从而对植物免疫信号有了详细的了解。然而，相比之下，非经典R基因的作用相对未被探索，其中一些基因具有持久的抗性。
近日，阿卜杜拉国王科技大学的两个研究团队在《Nature Genetics》背靠背在线发表了题为“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”的研究论文，介绍了两团队首次鉴定到两个具有新结构域的小麦抗病基因，这两个新基因的结构域均来自小麦野生近缘种，是激酶与其他结构域的融合体——激酶融合蛋白（KFPs）。两项研究描述了激酶融合蛋白（KFPs）如何调节小麦病原菌感知和诡计，KFPs作为新型植物免疫调节因子，丰富了小麦抗性基因库，为小麦分子育种提供更多的基因资源。
图1 植物天然免疫受体和激酶融合蛋白（KFPs）的结构域
小麦叶锈病抗病位点Lr9位于小麦6B染色体长臂的末端，该片段是由小麦研究先驱Ernest Sears在1950年代采用种间杂交与X射线辐照相结合的方法从小伞山羊草导入普通小麦的染色体易位片段。这种辐射导致的非同源染色体易位会出现严重的重组抑制，无法通过传统的图位克隆策略克隆易位片段上的Lr9基因。对此，首个研究团队开发了一种基于EMS突变体转录组测序的基因克隆技术（简称MutIsoSeq），这种技术综合运用了EMS诱变及突变体筛选、野生型材料PacBio三代全长转录组测序、突变体二代转录组测序及后续的数据分析，能够将目标基因的转录本跟表型直接关联。利用MutIsoSeq技术，研究团队实现了完全不依赖于重组和遗传定位的Lr9的克隆（图2）。
图2 Lr9和Lr58编码一个不典型的串联激酶融合蛋白
第二研究团队则成功克隆了小麦茎锈病抗性基因Sr43，编码了一种激酶融合蛋白，其激酶结构域可能来源于早期的异位重组事件；Sr43介导的抗性具有物种特异性和温度敏感性，其转基因表达可对不同茎锈病病原体分离株具有高水平的抗性。研究团团队成功克隆到从长穗偃麦草转移到面包小麦中的茎锈病抗性基因Sr43。经鉴定，Sr43为一种激酶融合蛋白，融合了一个蛋白激酶结构域和两个未知结构域DUF（图3）。
图3 Sr43编码融合两个DUF结构域的蛋白激酶
研究团队通过基因互补实验证实了Sr43的抗病功能（图4）。此外，Sr43介导的抗性具有物种特异性和温度敏感性。通过同源序列分析，该团队发现Sr43基因可能通过异位重组事件将激酶结构域募集到DUF，从而形成了蛋白激酶结构域加两个DUF的独特的激酶融合蛋白（kinase fusion protein，KFP）。类似的KFP还有Pm4、Snn3、Sm1、Tsn1、Yr36、Rpg5和Lr9，且大部分都表现出物种特异性的抗性。
图4 Sr43的功能验证及其小种特异性和温度敏感性
综上所述，与作物野生近缘种相比，驯化和作物改良大大降低了遗传多样性。两个研究团队的工作证明了作物野生近缘种作为多样化非经典R基因库的来源对于抗性育种和全球粮食安全的重要性。KFPs作为植物免疫新型调节因子会逐渐得到更多研究者的重视。
—— 参考文献 ——
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. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01401-2.
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. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01402-1.
分子标记开发与检测服务
根据目标DNA/基因序列,可开发高效的分子标记（SNP-KASP、SSR等），并可实现单日最高一万SSR数据点，以及数以十万计的SNP数据点检测。应用领域：
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品种真实性鉴定 | ● 基因精细定位 |
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品种一致性检测 | ● 种质资源分析 |
| ● 玉米、大豆、水稻等作物品种纯度检测 | ● 分子标记辅助育种 |
分子标记辅助选择/回交育种服务
利用分子标记辅助目标基因选择、背景选择和去连锁选择，针对优良自交系的个别“短板”进行“定向”改良，回交不超过3代，获得与原自交系一致或高度相似的新材料。应用领域：水稻、玉米、大豆、小麦等作物定向改良。
