重大发现！TaSnRK1α - TaCAT2 模型介导小麦抗冠腐病的分子机制解析

为解决小麦冠腐病（FCR）严重威胁产量和品质且抗性基因稀缺的问题，河南农业大学研究人员开展了小麦 FCR 抗性基因的研究。通过多方法鉴定出 TaCAT2 基因，揭示 TaSnRK1α - TaCAT2 模型介导 FCR 抗性机制，为培育抗性品种提供基因资源。

　　在广袤的麦田里，一种名为冠腐病（Fusarium crown rot，FCR）的病害正悄然肆虐。FCR 主要由病原菌 F. pseudograminearum（F.pg）引发，它像隐藏在土壤中的 “杀手”，能在土壤或残茬中长期存活，伺机侵害小麦。一旦发病，不仅会导致小麦产量大幅下降，还会使植物茎或籽粒中积累各种毒素，如脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）、雪腐镰刀菌烯醇（nivalenol，NIV）等，严重危害人畜健康。目前，还未发现免疫或高抗的小麦种质资源，大多数现代小麦品种对 FCR 易感或高度易感。因此，挖掘小麦 FCR 抗性基因，培育抗性品种迫在眉睫。

为了攻克这一难题，河南农业大学的研究人员勇挑重担，开展了深入研究。他们通过全基因组关联研究（genome - wide association study，GWAS）、全外显子测序（whole - exome sequencing，WES）和转录组分析等多种技术，鉴定出一个关键的 FCR 抗性基因 TaCAT2。研究发现，TaCAT2 能通过清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）来增强小麦对 FCR 的抗性。同时，研究人员还筛选出与 TaCAT2 相互作用的蔗糖非发酵 - 1 相关蛋白激酶 α 亚基（TaSnRK1α），证实 TaSnRK1α 能磷酸化 TaCAT2，进而提高 TaCAT2 的蛋白积累，增强其清除 ROS 的能力，最终提升小麦对 FCR 的抗性。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为小麦抗 FCR 育种提供了新的基因资源和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们选取 243 份小麦种质资源作为关联群体，用于 FCR 抗性调查和 GWAS 分析。通过 GWAS 初步定位与 FCR 抗性相关的遗传位点，接着利用 WES 对极端表型子代池和亲本进行基因分型，筛选候选基因。之后，采用病毒诱导的基因沉默（virus - induced gene silencing，VIGS）、过表达实验等技术，验证基因功能；运用酵母双杂交（Y2H）、体外 pull - down 等实验，探究蛋白间的相互作用和调控机制。

下面详细介绍研究结果：

1. TaCAT2 基因的鉴定：研究人员利用小麦 660K SNP 芯片对 243 份中国小麦种质资源进行 GWAS 分析，发现染色体 6A 上一个重要遗传位点与 FCR 抗性相关。通过构建两个F4?嵌套重组自交系群体，进行 WES 和 BSR - Seq（bulked segregation RNA sequencing）分析，最终确定 TaCAT2 为候选基因。
2. TaCAT2 基因与 FCR 抗性的关联：克隆 TaCAT2 基因发现，抗性和易感亲本间存在多态性变异。开发共显性标记后发现，携带 TaCAT2 - R（无 215 - bp 插入）的小麦品系 FCR 抗性显著高于携带 TaCAT2 - S（含 215 - bp 插入）的品系。对 243 份中国小麦品种测序分析表明，TaCAT2 - R 品系的 FCR 抗性更强，且其酶活性更高。
3. TaCAT2 基因功能验证：VIGS 实验显示，沉默 TaCAT2 基因的小麦植株 FCR 抗性显著降低，H2?O2?含量升高；EMS 突变体和过表达实验进一步证实，TaCAT2 能正向调控小麦 FCR 抗性，且过表达 TaCAT2 不会对小麦农艺性状产生负面影响。
4. TaCAT2 与 TaSnRK1α 的相互作用及调控机制：酵母双杂交、split luciferase 互补实验和体外 pull - down 实验表明，TaCAT2 与 TaSnRK1α 在体内外均能相互作用，且 TaSnRK1α 能磷酸化 TaCAT2，Ser214 是关键磷酸化位点。TaSnRK1α 能提高 TaCAT2 的蛋白水平，增强其清除 ROS 的能力，进而提升小麦 FCR 抗性。
5. TaSnRK1α 对小麦 FCR 抗性的调控作用：EMS 突变体和过表达实验证明，TaSnRK1α 能正向调控小麦 FCR 抗性，可能通过磷酸化增强 TaCAT2 蛋白稳定性，降低 ROS 积累。

研究结论和讨论部分表明，该研究鉴定出重要的小麦 FCR 抗性基因 TaCAT2，并提出 TaSnRK1α - TaCAT2 模型，揭示了其介导 FCR 抗性的分子机制。这不仅为理解小麦 FCR 抗性基因的调控机制提供了新视角，还为通过聚合育种提高小麦 FCR 抗性提供了宝贵的基因资源。未来，研究人员可基于此进一步深入探究，挖掘更多抗性基因，培育出更具抗性的小麦品种，为保障全球粮食安全贡献力量。