「衛青」基因（WTS）的作用機制。 中科院遺傳發育所 供圖
中新網北京6月9日電 (記者 孫自法)記者從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉，該所陳宇航和周儉民研究員合作團隊最近成功克隆廣譜抗根腫病基因，闡明其作用機制，並以中國西漢著名將領衛青(WeiTsing)的名字為該基因命名(英文名WTS)。
這一植物抗病領域重要研究成果論文，北京時間6月8日夜間在國際著名學術期刊《細胞》(Cell)上線發表。該項研究不僅在十字花科作物抗根腫病育種中有良好應用前景，更為重要的是在植物中首次發現了新型鈣離子釋放通道及其介導的免疫機制，也成為繼發現植物抗病小體後，中國科學家在該領域取得的又一項重大理論突破。
受到根腫病侵害的油菜根部腫大症狀。 四川農業大學副教授楊輝 供圖
中科院遺傳發育所介紹說，根腫病是油菜等十字花科作物農業生產上危害最大的病害，針對十字花科作物根腫病害防治這一重大問題，陳宇航和周儉民團隊綜合利用遺傳學、生物化學、結構生物學及生理學等方法，分離鑑定並成功克隆高抗根腫病基因「衛青」，還闡明了其分子機制。「衛青」基因編碼一個從未報導過的跨膜蛋白，導入油菜後不僅表現出良好的抗性，生長發育也完全正常；攜帶「衛青」基因的油菜作對多個根腫菌表現為高抗，包括在現有抗性品種上表現出高致病力的菌株，表明「衛青」是一個廣譜抗性基因，因此，「衛青」基因在油菜抗根腫病分子育種中有很好的應用價值。
合作團隊進一步研究發現，「衛青」基因形成一個新型的五聚體結構，中間具有一個跨膜孔道。電生理學和鈣成像研究揭示其可通透鈣離子。當根腫菌侵染時，「衛青」基因在中柱鞘細胞中特異表達並自組裝成為定位於內質網的鈣離子通道，通過介導內質網鈣離子釋放激活下游免疫應答過程，從而保護根部維管束系統免受病原菌的侵害。該基因在中柱外圍形成保護屏障，與秦漢時期在北部山區建立防線、抗擊匈奴，具有相似性，因此被團隊借用西漢名將衛青來命名。
研究團隊指出，他們這項最新合作研究成果表明，植物不僅可以通過傳統的免疫受體NLR家族蛋白形成抗病小體來激活鈣信號，還能利用非NLR家族蛋白組裝成全新的離子通道來介導鈣信號和免疫反應。不同於質膜定位的抗病小體(如ZAR1和SR35)，「衛青」離子通道定位於內質網。這也是在植物中首次發現的新型鈣離子釋放通道。此外，「衛青」基因在根部特異細胞層的誘導和作用方式，對其他土傳病害抗性機制的研究有重要借鑑意義。
據了解，油菜等十字花科作物根腫病每年在中國的發病面積達4800萬-6000萬畝，根腫菌在土壤中可存活20年，耕地一旦被污染，將不再適合種植十字花科作物。自20世紀20年代在台灣和福建地區發現根腫病以來，中國根腫病的發生面積不斷增加。尤其是近年來，隨著農業機械化不斷發展，根腫病在中國呈快速蔓延的趨勢，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。
大田生長的油菜。 安徽農科院研究員胡寶成 供圖
中科院遺傳發育所周儉民、陳宇航團隊在植物抗病基因鑑定、功能研究、結構解析及通道活性鑑定等方面積累有豐富經驗。此前，周儉民團隊通過與清華大學等相關團隊合作，2019年在國際上首次發現植物抗病小體，揭示植物NLR家族抗病蛋白激活免疫的核心機制，解決困擾植物免疫領域20多年的難題。隨後，周儉民團隊與陳宇航團隊等合作，2021年揭示經典抗病小體ZAR1的離子通道功能，明確鈣離子為植物激活免疫的初始信號；2022年解析小麥抗病小體SR35的離子通道活性，進一步支持植物免疫的鈣信號理論。(完)