马铃薯StCERK1基因调控植物免疫的多重病原体防御机制及其在块茎抗病性中的作用

为解决马铃薯因易感多种病原体导致的产量损失问题，研究人员聚焦受体样激酶(RLK)家族成员StCERK1，采用tRNA支架gRNA编辑策略高效创制四倍体马铃薯纯合突变体。研究发现StCERK1作为功能性激酶，通过类黄酮生物合成途径调控免疫反应，显著增强对致病疫霉(Phytophthora infestans)、早疫病菌(Alternaria solani)和青枯病菌(Ralstonia solanacearum)的抗性，并首次揭示其在块茎抗病中的关键作用，为广谱抗病育种提供新策略。

　　

马铃薯作为全球第三大粮食作物，其产量常年受到致病疫霉、早疫病菌和青枯病菌等病原体的严重威胁。传统农药防治不仅成本高昂，还带来环境负担，而马铃薯复杂的四倍体基因组和高杂合度特性使得基因功能研究困难重重。在这一背景下，中国农业科学院蔬菜花卉研究所的研究团队将目光投向植物免疫系统的"守门人"——受体样激酶家族成员CERK1，系统解析了马铃薯StCERK1在多重病原体防御中的核心作用，相关成果发表在《Horticultural Plant Journal》。

研究团队首先通过生物信息学分析鉴定出马铃薯26个含LysM结构域的蛋白，其中11个被确定为LysM-RLK家族成员。为克服四倍体基因编辑难题，创新性采用tRNA支架引导的4个gRNA编辑策略，在栽培品种"Désirée"中高效获得纯合stcerk1突变体。通过比较基因组学、蛋白结构预测（AlphaFold 3）和亚细胞定位（共聚焦显微镜）证实StCERK1与番茄SlCERK1具有79.67%的序列相似性，且定位于细胞膜。关键实验技术包括：基于化学发光法的活性氧(ROS)检测、Phos-tag SDS-PAGE分析蛋白磷酸化、RNA-seq转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）以及离体块茎接种实验。

研究结果显示，stcerk1突变体对50 μg/mL几丁质诱导的ROS爆发和MAPK激活反应显著减弱，RNA-seq分析发现804个差异表达基因，KEGG富集显示类黄酮生物合成通路特异性依赖StCERK1。激酶活性实验证实StCERK1^CD
具有自磷酸化能力，关键位点K355E突变会完全丧失活性。病原体接种试验呈现显著表型：突变体叶片对致病疫霉的病斑面积增加129%，块茎病斑指数升高250%；对早疫病菌的敏感性增加185%；青枯病菌接种后茎秆病斑长度和病情指数显著升高。值得注意的是，qPCR检测发现突变体块茎中病原菌生物量增加127%，首次揭示CERK1家族在块茎抗病中的功能。

讨论部分强调，该研究突破性地实现了四倍体马铃薯多等位基因同步编辑，阐明StCERK1通过感知几丁质和β-1,3-葡聚糖等多糖类病原相关分子模式(PAMP)，激活类黄酮积累等免疫反应的全新机制。特别重要的是，研究发现StCERK1介导的抗性不局限于地上部分，还延伸至经济器官块茎，且基因编辑未引起生长缺陷。这为利用植物先天免疫受体设计广谱抗病品种提供了直接靶点，对实现马铃薯绿色可持续生产具有重要实践意义。研究建立的tRNA-gRNA多靶点编辑体系，更为其他多倍体作物的基因功能研究提供了技术范式。