小麦是主要粮食作物之一，其高产和稳产是农业研究工作中的重点。全球每年因病虫害造成的小麦产量损失达20%，其中仅小麦锈病病原体在全球造成的经济损失就高达43亿到50亿美元。因此，解析小麦抗条锈病相关作用机制对小麦抗病育种具有重要理论指导意义。植物免疫系统包括模式触发免疫(PTI)和效应触发免疫(ETI)，二者均伴随复杂的病原体识别和防御信号通路激活，产生细胞死亡。活性氧爆发和细胞死亡是目前已知小麦抗病基因发挥抗病功能的显著标志，是植物抗病反应的保守现象。但是，细胞死亡如何激发植物系统抗性仍是一个悬而未决的科学问题。
2023年9月2日，Journal of Genetics and Genomics在线发表中国农业大学缑金营教授团队题为“Phosphorylation of KAT-2B by WKS1/Yr36 redirects the lipid flux to jasmonates to enhance resistance against wheat stripe rust”的研究论文。该研究立足于抗病坏死区域的代谢流，揭示了茉莉素(jasmonates, JA)在小麦抗条锈病过程中的合成调控机制，为作物抗病育种提供了新的理论指导和靶基因。
该研究首先利用JA活体成像系统，发现带有广谱抗病基因Yr36 (WKS1)的小麦植株在受到条锈菌侵染时，病原菌入侵位点周围的细胞会出现显著的JA响应荧光信号。细胞学和代谢组学结果表明，WKS1转基因小麦局部坏死区域叶绿体崩溃，叶绿体中的脂类累积多不饱和脂肪酸，其中包含一系列JA合成前体。在WKS1转基因小麦中，JA含量增加，而且活性形式的衍生物(如JA-Ile和JA-Val)亦显著提高。与之相吻合的是，WKS1可以结合并磷酸化JA合成过程中催化β氧化反应的关键酶KAT-2B，提高其酶活性。kat-2b突变体中JA含量降低，对条锈病抗性减弱；而KAT-2B转基因过表达植物中，JA大量累积，对条锈病抗性增强。进一步研究发现，JA作为化学信号，可以调控活性氧相关基因的表达，加速活性氧积累，形成正反馈，从而抑制条锈菌生长。
茉莉素合成和信号转导途径促进宿主对条锈菌防御的工作模型
综上所述，该研究揭示WKS1通过调控KAT-2B促进坏死细胞叶绿体中的脂类流向合成JA，进而增强小麦条锈抗性的作用机制。而JA合成和信号途径相关基因在无病菌压力情况下，具有增加光合源提高产量的潜力。因此，KAT-2B及相关JA合成和调控网络，有望同时增强小麦产量和抗病能力，助力未来小麦高产稳产生物育种。
作者简介
湘湖实验室(农业浙江省实验室)闫燕博士为该论文第一作者，中国农业大学小麦研究中心缑金营教授为通讯作者。河南大学张学斌教授协助测定了激素含量。相关工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室开放课题基金和中央政府指导地方科技发展基金等项目资助。
引用本文
Yan Yan, Xiao-Ming Li, Yun Chen, Tian-Tian Wu, Ci-Hang Ding, Mei-Qi Zhang, Yue-Ting Guo, Chu-Yang Wang, Junli Zhang, Xuebin Zhang, Awais Rasheed, Shengchun Xu, Meng-Lu Wang, Zhongfu Ni, Qixin Sun, Jin-Ying Gou. (2023). Phosphorylation of KAT-2B by WKS1/Yr36 redirects the lipid flux to jasmonates to enhance resistance against wheat stripe rust. Journal of Genetics and Genomics.
DOI：10.1016/j.jgg.2023.08.009
注：该文为JGG快速通道论文，于2023年8月28日投稿，8月29日稿件接收，9月2日论文在线发表。
第一作者面对面
自我介绍
大家好！我是闫燕，来自山东招远，博士毕业于复旦大学，导师为缑金营教授，现阶段在湘湖实验室(农业浙江省实验室)做博士后，研究方向是植物代谢。
业余兴趣爱好
手工、旅游。
目标或愿景
学以致用。
如何向你的家人朋友介绍研究的内容和意义？
小麦是重要的粮食作物，但在实际生产中，条锈病等真菌性病害是限制小麦产量的重要因素。因此，我们需要通过解析小麦的抗病机制，增强小麦的抗病性，减少病害损失。条锈菌属于严格的活体寄生菌，需要从寄主中吸取营养来供其生长发育。小麦在受到条锈菌侵染时，抗病植株病原菌侵染部位的活性氧会快速累积，造成局部细胞坏死，从而抑制病原菌从寄主中掠夺养分。但是，细胞死亡如何激发植物的系统抗性还不清楚。在这项研究中，我们发现细胞坏死时脂类物质会在WKS1对KAT-2B的调控下加速流向茉莉酸，而累积的茉莉酸可能通过诱导相关抗性基因的表达，从而增强小麦的条锈抗性。该研究可为作物抗病育种提供新的理论指导。
在课题研究过程中，你遇到过什么特别的困难，是如何克服的？
我们发现小麦KAT的表达在条锈菌入侵后有增加的趋势，但是条锈菌可以通过未知途径抑制小麦KAT的表达，减缓抗病进程，导致广谱抗病基因的“慢”锈现象。我们尝试利用酵母单杂交文库筛选调控KAT的因子，解析其内在机制，但因KAT启动子具有强烈的自激活活性，该研究需要继续优化。
在得知论文被接收后，你的感觉是什么？
在得知论文被接收后，非常开心，有自己的工作被认可的喜悦。同时也由衷感谢缑老师对我无私的帮助与指导，以及实验室同学对我的帮助。
在你的研究领域中，你认为最挑战的科学问题是什么？
如何实现小麦抗病、高产且质优。
图文来源：JGG 遗传学报公众号
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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