小麦受体样激酶TaCrRLK1L16的进化特征与表达模式及其在抗条锈病中的功能解析

本研究针对六倍体小麦中受体样激酶(TaRLKs)功能优先级判定的难题，通过生物信息学鉴定3,424个TaRLKs并系统分析其进化特征与胁迫响应模式。研究发现TaCrRLK1L16在条锈菌(Pst)侵染中显著上调且能触发烟草细胞死亡，转基因过表达显著增强小麦抗病性。该研究为小麦抗病育种提供了新策略，发表于《Stress Biology》。

　　 植物在生长过程中常遭受病原微生物侵袭，而小麦作为全球主要粮食作物，其病害防控尤为关键。条锈病由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst)引起，每年造成严重产量损失。尽管植物缺乏动物般的循环免疫系统，但其细胞表面受体样激酶(Receptor-like kinases, RLKs)在识别病原信号和激活免疫应答中发挥核心作用。然而，六倍体小麦基因组复杂，RLKs家族庞大（如拟南芥仅613个，小麦达3,424个），如何快速鉴定关键抗病基因成为重大挑战。

西北农林科技大学的研究团队通过整合多组学数据与跨物种进化分析，系统研究了小麦受体样激酶(TaRLKs)家族的多样性及其在抗病中的功能。研究首先利用隐马尔可夫模型和BLAST比对，从小麦基因组中鉴定出3,424个TaRLKs，分为58个亚家族。通过比较基因组学发现，LRR、RLCK等亚家族在小麦中显著扩张（如LRR亚家族含937个基因），而176个保守直系同源群揭示了单双子叶植物RLKs的进化关联。选择压力分析显示，胞外结构域(ECDs)的Ka/Ks值高于激酶域，暗示病原识别模块的快速进化。转录组分析发现，DUF26、LRR-XII等亚家族成员在Pst侵染早期（18 hpi）显著诱导，其中CrRLK1L亚家族的TaCrRLK1L16表达量最高。该基因在烟草中瞬时表达可引发细胞死亡（HR），转基因小麦过表达株系对Pst抗性增强，真菌生物量降低50%以上。

关键技术包括：1）基于HMMER和OrthoFinder的全基因组RLKs鉴定与进化分析；2）利用小麦-条锈菌互作转录组（CNP0001524）筛选差异表达基因；3）烟草瞬时表达系统评估HR表型；4）农杆菌介导的小麦遗传转化（品种Fielder）。

主要研究结果：

1. TaRLKs的鉴定与进化特征：系统发育树显示小麦RLKs数量是拟南芥的6倍，其中LRR亚家族最大（937个）。物种特异性扩张的LRK10L-2、SD-2b等亚家族可能与复杂环境适应相关。
2. 选择压力与结构多样性：胞外域（如TraesCS5B02G534000.2含4个VWA结构域）比激酶域更易变异，而ATP结合位点（94.7%含[V/I-A-V/I-K]模体）高度保守。
3. 组织与胁迫表达模式：44个TaRLKs（如TaCRK2）组成型高表达，而138个基因同时响应flg22和几丁质刺激。在Pst侵染中，LRR-XII亚家族成员在非亲和互作中上调更显著。
4. TaCrRLK1L16的功能验证：该基因编码849个氨基酸的膜定位蛋白（与拟南芥HERK同源），在Pst侵染3 hpi表达峰值达对照8倍。转基因株系TaCrRLK1L16-OE10的病害严重度降低70%。

结论与意义：该研究首次揭示小麦RLKs家族的进化动力学与抗病关联，提出“转录组筛选+HR表型验证”的高效基因优先化策略。TaCrRLK1L16的发现为小麦抗条锈病育种提供了新靶点，其膜定位特性暗示其可能通过识别未知配体激活下游免疫通路。研究为作物复杂基因家族的功能解析提供了范式，相关方法可拓展至其他谷物抗病研究。