广谱高抗根肿病基因“卫青”的克隆及机制研究获进展

根肿病是油菜等十字花科作物农业生产上危害最大的病害之一。根肿菌在土壤中可存活二十年，耕地一旦被污染，将不再适合种植十字花科作物。中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航和周俭民合作团队，克隆了广谱抗根肿病基因WeiTsing（WTS，卫青）并阐明了其作用机制。WTS介导植物对多种根肿菌的抗性，在十字花科作物抗根肿病育种中有良好应用前景。6月8日，相关研究成果发表在《细胞》上。 

利用抗病基因改造农作物抗病性是防治病害最为绿色经济高效的方式，但已知的根肿病抗病基因数目少、机制研究薄弱，且田间已出现了新菌株，导致现有抗根肿病基因抗性丧失。因此，挖掘高效广谱抗根肿病基因是抗根肿病育种面临挑战。 

周俭民团队致力于植物免疫机制研究，前期与清华大学研究柴继杰等团队合作，于2019年在国际上首次发现了植物抗病小体，揭示了植物NLR家族抗病蛋白激活免疫的核心机制，解决了困扰植物免疫领域二十多年的难题（相关成果入选2019年度中国生命科学十大进展）。进一步，周俭民团队与遗传发育所陈宇航团队、何康敏团队以及清华大学柴继杰团队合作，于2021年揭示了经典抗病小体ZAR1的离子通道功能，明确了钙离子作为植物激活免疫的初始信号。陈宇航团队与清华大学柴继杰团队合作，于2022年解析了小麦抗病小体Sr35的离子通道活性，进一步支持了植物免疫的钙信号理论。周俭民、陈宇航团队在植物抗病基因鉴定、功能研究、结构解析及通道活性鉴定等方面积累了丰富经验。 

针对十字花科作物根肿病害这一重大问题，陈宇航和周俭民团队综合利用遗传学、生物化学、结构生物学及生理学等方法，分离鉴定到高抗根肿病基因WTS并阐明了其分子机制。WTS编码一个从未报道过的蛋白，导入油菜后表现出良好的抗性，且生长发育完全正常；携带WTS的油菜作对多个根肿菌表现为高抗，包括在现有抗性品种上表现出高致病力的菌株，表明WTS是一个广谱抗性基因。因此，WTS在油菜抗根肿病分子育种中颇具应用价值。进一步的研究发现，当根肿菌侵染时，WTS在中柱鞘细胞中特异表达并自我装配为定位于内质网的新型钙离子通道，通过介导内质网钙离子释放激活下游免疫反应，从而保护根部维管束系统免受病菌的侵害。WTS在中柱外围形成保护屏障，这与我国秦汉时期在北部山区建立防线、抗击匈奴，具有相似性，故借用西汉将领卫青命名该基因。 

研究表明，植物不仅可以通过传统的抗病小体激活钙信号，而且能利用NLR家族以外的其他蛋白组装成全新的离子通道来激活钙信号和免疫反应。不同于质膜定位的抗病小体，WTS复合物定位于内质网，表明其为钙离子释放通道，这是在植物中首次发现钙离子释放通道；此外，WTS在根部特异细胞层的诱导和作用方式，对其他土传病害抗性机制的研究有重要借鉴意义。 

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的支持。 

WTS的作用机制。WTS编码定位于内质网的钙离子通道，通过介导钙释放触发下游免疫反应，抵御根肿菌的入侵、保护植物维管束系统。