近日，農(nóng)學(xué)院王秀娥教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表了題為“A wheat CC-NBS-LRR protein Ym1 confers WYMV resistance by recognizing viral coat protein”的研究論文。該研究通過(guò)經(jīng)典遺傳學(xué)方法結(jié)合突變體創(chuàng)制、轉(zhuǎn)錄組和比較基因組分析，成功克隆了目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣、來(lái)自山羊草屬外源片段漸滲的抗小麥黃花葉病基因Ym1，系統(tǒng)闡明了其從根部源頭阻斷病毒侵染的抗性機(jī)制。

20世紀(jì)60年代，由小麥黃花葉病毒（Wheat yellow mosaic virus, WYMV）引起的小麥黃花葉病毒病在我國(guó)四川首次報(bào)道，90年代在江蘇蘇中等地區(qū)重發(fā)，最初命名為小麥梭條花葉病，后更名為小麥黃花葉病。WYMV通過(guò)土壤中禾谷多黏菌（Polymyxa graminis, Pg）作為介體侵染和傳播，因此培育和利用抗病品種是最有效和根本的防控措施。不同研究團(tuán)隊(duì)在2DL、3BS、5AL、6DS等染色體上定位了抗性位點(diǎn)，其中位于2D上的基因被多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)報(bào)道，分別命名為QYm.nau-2D（本研究團(tuán)隊(duì)）、YmYF、YmIb和Q.Ymym等，但該基因尚未克隆，其介導(dǎo)的抗性遺傳機(jī)理也不清楚。

2023年，我們發(fā)現(xiàn)Ym1來(lái)自一個(gè)山羊草屬物種的外源漸滲（Chen et al., 2023, TAG），由于定位區(qū)間重組抑制，增加了Ym1克隆的難度。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入中國(guó)春ph1b突變體促進(jìn)同源重組，將定位區(qū)間縮小至5.8 Mb區(qū)間（Fielder 2D: 610.7Mb~616.5 Mb）；對(duì)EMS誘變獲得的感病突變體進(jìn)行重測(cè)序，與Fielder（攜有Ym1）基因組序列比對(duì)，發(fā)現(xiàn)候選區(qū)間內(nèi)僅有編碼CC-NBS-LRR類抗病蛋白（NLR）基因（TraesFLD2D01G565300）在3個(gè)突變體中均發(fā)生序列變異；轉(zhuǎn)錄組分析表明，該基因受WYMV侵染誘導(dǎo)在根部特異上調(diào)表達(dá)；共線性分析發(fā)現(xiàn)，該基因僅存在于Fielder等攜有Ym1的品種中，在其他品種中缺失；因此將其視為Ym1唯一候選基因。功能驗(yàn)證顯示，NLR靶向敲除突變體及其基因敲低植株均喪失抗性，而過(guò)表達(dá)NLR的轉(zhuǎn)基因植株則抗病性增強(qiáng)，證實(shí)該NLR是Ym1的目的基因。

圖1小麥抗黃花葉病Ym1基因的精細(xì)定位和候選基因預(yù)測(cè)

圖2 Ym1的功能驗(yàn)證和根部特異性抗性解析

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Ym1通過(guò)識(shí)別并與WYMV外殼蛋白（CP）互作觸發(fā)免疫反應(yīng)：其LRR結(jié)構(gòu)域與CP互作，CC結(jié)構(gòu)域引發(fā)細(xì)胞壞死。亞細(xì)胞定位表明，Ym1在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均有分布，Ym1-CP互作后，Ym1發(fā)生核-質(zhì)重定位（從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)），將其從抑制狀態(tài)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，引發(fā)過(guò)敏反應(yīng)，從而賦予根部特異表達(dá)的Ym1抵御病毒向根的中柱鞘侵入的能力，阻止病毒進(jìn)入地上莖葉部位。值得注意的是，Ym1僅抑制病毒侵染，不影響Pg在根部的定殖。

圖3 Ym1識(shí)別WYMV的外殼蛋白（CP）觸發(fā)過(guò)敏反應(yīng)

圖4 Ym1-CP互作導(dǎo)致Ym1的核-質(zhì)重定位和激活

來(lái)源分析發(fā)現(xiàn)，Ym1僅在山羊草屬部分物種中存在同源基因（89.2%-99.6%），例如高大山羊草（Ae. longissima）、西爾斯山羊草（Ae. searsii）等。其中Ym1與小亞山羊草（Ae. columaris, U^cU^cX^cX^c）和三芒山羊草（Ae. neglecta, UⁿUⁿXⁿXⁿ或UⁿUⁿXⁿXⁿNⁿNⁿ）的Ym1同源基因（分別來(lái)自X^c或Xⁿ亞基因組）序列相似性大于99.4%，推測(cè)Ym1可能通過(guò)多倍體山羊草屬物種與普通小麥雜交漸滲進(jìn)入栽培小麥。

圖5 Ym1來(lái)自小亞山羊草X^c或三芒山羊草Xⁿ的亞基因組

最后，研究團(tuán)隊(duì)提出Ym1介導(dǎo)的WYMV抗性的可能模型：Ym1表達(dá)具有根部特異性，病毒侵染誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)；Ym1在沒(méi)有病毒感染時(shí)以自抑制狀態(tài)存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)，病毒侵染時(shí)，Ym1識(shí)別WYMV的CP，抗病蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)并出核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，觸發(fā)過(guò)敏反應(yīng)，從而阻斷病毒侵入根中柱鞘細(xì)胞和地上部組織。

圖6 Ym1抗黃花葉病的機(jī)制模型

本研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士陳一鳴、博士研究生孔德卉、青年教師王宗寬副研究員為共同第一作者，王秀娥教授與肖進(jìn)副教授為共同通訊作者。寧波大學(xué)陳劍平院士和羊健教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)科院的張學(xué)勇研究員、楊平研究員為本研究提供了指導(dǎo)和大力支持。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳鋒教授、孫炳劍教授、江蘇里下河農(nóng)科所小麥育種團(tuán)隊(duì)、鹽都農(nóng)科所郭紅研究員團(tuán)隊(duì)在多年抗性鑒定中給予大力支持。南京大學(xué)孫博教授團(tuán)隊(duì)助理教授陳煒博士、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院陶小榮教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院王海燕教授、王巍教授、溫明星副研究員、孫麗博士參與本工作。威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校翁益群教授、悉尼大學(xué)Robert A. McIntosh教授和澳大利亞CSIRO的Evans Lagudah教授在寫作中給予了寶貴意見(jiàn)。本研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。