协同作战，抗击锈病：揭示小麦中成对NLR基因Yr84的抗病新机制
小麦作为全球最重要的粮食作物之一，为人类提供了约20%的卡路里来源。然而，小麦的生产时刻面临着各种生物胁迫的挑战，其中由真菌 Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst) 引起的条锈病（又称黄锈病）是全球最具破坏性的病害之一。在流行年份，感病品种的产量损失可高达100%，严重威胁着全球粮食安全。培育和利用抗病品种是防治条锈病最经济、有效且环保的策略。因此，发掘新的抗性基因并解析其作用机制，对于小麦抗病育种至关重要。野生二粒小麦（Triticum turgidum ssp. dicoccoides）作为栽培小麦的野生祖先，在长期自然选择中积累了丰富的抗病基因资源，是挖掘新抗性基因的宝库。Yr84是一个源自野生二粒小麦的抗条锈病基因，具有不完全显性遗传的特性，但其背后的分子机制一直尚不明确。
加拿大萨斯喀彻温大学作物发展中心和植物科学系的 Curtis J. Pozniak 团队在国际顶级期刊《自然·遗传学》（Nature Genetics）上发表题为“Coordinated function of paired NLRs confers Yr84-mediated stripe rust resistance in wheat”的论文，揭示了小麦抗条锈病基因Yr84是由一对物理上紧密连锁、功能上协同作用的NLR（核苷酸结合-富含亮氨酸重复）基因——CNL和NL——共同介导的。这项研究不仅成功克隆了这两个基因，还阐明了它们作为“传感器-辅助者”协同工作的独特分子机制，为理解植物免疫应答的多样性和复杂性提供了新的见解，并为小麦抗病育种提供了宝贵的基因资源和工具。
1. Yr84基因的精细定位与候选基因筛选
研究团队首先基于前期利用集团分离分析法（BSA-Seq）获得的初步定位结果，通过构建更大的F₂分离群体（1039个单株），利用更多分子标记对Yr84基因进行了精细定位。通过筛选重组单株并进行后代测定，他们成功地将Yr84的遗传区间缩小至0.5厘摩（cM），两侧由标记usw313和usw316所界定。通过与野生二粒小麦参考基因组（Zavitan v2）进行比对，该遗传区间对应的物理距离约为975 kb。这一精确定位显著减少了候选基因的数量，从最初的79个减少到22个，其中11个基因被注释为与抗病反应相关的高可信度候选基因，为后续的基因克隆奠定了坚实的基础（图1a, 1b, 1c）。
图12. 基因克隆与功能验证：两个基因，缺一不可
为了准确鉴定出控制Yr84抗性的基因，研究团队采用了两种关键技术策略。首先，他们利用PacBio长读长测序技术，对携带Yr84的野生二粒小麦材料（PI 487260）进行了低覆盖度的全基因组测序，并组装出了高质量的基因组序列。这为后续的突变分析提供了精确的参考。
随后，他们利用化学诱变剂甲磺酸乙酯（EMS）处理PI 487260的种子，创建了一个突变体库。通过对超过754个M₂家系进行条锈菌接种筛选，他们成功鉴定出14个独立的感病突变体（即失去了原有的抗性）。通过对这些感病突变体进行全基因组测序或靶向扩增子测序，研究人员发现，这些突变均发生在两个相邻的NLR基因上。其中10个突变体在第一个基因（一个典型的CNL基因，包含卷曲螺旋（CC）、核苷酸结合（NB-ARC）和富含亮氨酸重复（LRR）结构域）中产生了功能丧失性突变；而另外4个突变体则在第二个基因（一个NL基因，包含NB-ARC和LRR结构域，但缺少典型的N端结构域）中发生了突变。这一结果强有力地证明，Yr84的抗性表型必须由这两个基因共同作用才能实现，任何一个基因的功能缺失都会导致抗性丧失，证实了它们是一对功能上协同依赖的“成对NLR基因”（图1d, 1e）。
3. “传感器-辅助者”模型：CNL与NL的精妙分工
为了揭示这对基因如何协同工作，研究团队进一步分析了它们的表达模式和蛋白质结构。通过实时定量PCR（RT-qPCR）和Iso-Seq转录组测序，他们发现CNL基因在有无病原菌侵染的情况下都持续表达（组成型表达），而NL基因的表达量在接种病原菌5天后显著上调。这种表达模式非常符合经典的NLR“传感器-辅助者”（sensor-helper）模型：CNL作为“传感器”（sensor NLR, sNLR），负责持续监视病原菌效应子的入侵；而NL则扮演“辅助者”（helper NLR, hNLR）的角色，在接收到来自CNL的信号后被激活，从而启动下游的免疫防御级联反应（图1f, 1g）。
蛋白质结构分析显示，这对基因与水稻中经典的成对NLR基因Pik-1/Pik-2亲缘关系较近。然而，一个显著的区别是，Yr84的CNL和NL蛋白均不含有在其他成对NLR中常见的、被认为是效应子“诱饵”的整合结构域（integrated domains, IDs）。这表明Yr84系统可能采用了一种不同于经典“诱饵模型”的病原体识别机制。
为了验证两者是否存在物理互作，研究团队进行了酵母双杂交（Y2H）和免疫共沉淀（Co-IP）实验。Y2H实验未能检测到全长蛋白间的互作，但in vivo的Co-IP实验明确证实，CNL和NL蛋白的LRR结构域之间存在直接的相互作用（图2）。这一发现表明，它们的协同作用可能是通过LRR结构域的物理结合来实现的。
图24. 遗传多样性分析与育种应用价值
研究团队利用开发的CNL基因特异性KASP标记，对一个包含多种四倍体小麦的遗传多样性panel进行了筛选。结果显示，能赋予抗性的Yr84等位基因组合在野生二粒小麦中非常罕见（仅占21%的材料携带CNL，且其中大部分组合为感病型），而在驯化和栽培的四倍体小麦中则完全缺失。这凸显了野生种质资源在现代育种中的巨大价值。
更重要的是，研究团队通过多代回交，成功地将Yr84基因（包含CNL和NL的基因对）导入到多个加拿大主流的硬粒小麦和普通小麦栽培品种中。接种实验表明，这些导入了Yr84的育种系，无论是原本感病的还是中度抗病的，都表现出了对条锈病的高水平抗性（图3）。这充分证明了Yr84在小麦实际生产中具有巨大的应用潜力，可以作为宝贵的基因资源用于改良现有品种的抗病性。
图4全文总结与展望
本研究成功地从野生二粒小麦中克隆并功能验证了控制Yr84条锈病抗性的一对成对NLR基因，CNL和NL。研究系统地揭示了它们遵循“传感器-辅助者”模型协同发挥作用：组成型表达的CNL作为传感器识别病原体，诱导型表达的NL作为辅助者激活下游免疫反应。这一发现的独特之处在于，这对基因不依赖于传统的整合结构域（IDs）来识别效应子，而是可能通过其LRR结构域的直接相互作用来实现信号传递，为植物NLR蛋白功能多样性的研究提供了新的范例。
从应用角度看，该研究不仅为小麦育种提供了一个全新的、有效的抗条锈病基因资源，还开发了可靠的分子标记，为通过标记辅助选择技术将Yr84精准、高效地聚合到优良栽培品种中提供了可能。将Yr84与其它不同作用机制的抗病基因进行聚合育种（pyramiding），有望培育出持久、广谱抗病的突破性小麦新品种，为保障全球粮食安全做出重要贡献。未来的研究可以进一步探索CNL蛋白识别的病原菌效应子，并深入解析其LRR结构域互作激活下游免疫信号通路的精确分子细节。
本文的共同第一作者为 Valentyna Klymiuk、Krystalee Wiebe 和 Harmeet Singh Chawla。通讯作者为萨斯喀彻温大学的 Valentyna Klymiuk 和 Curtis J. Pozniak。该研究得到了加拿大基因组计划、加拿大农业与农业食品部、西部谷物研究基金会等多个机构资助的“4D Wheat: Diversity, Domestication, Discovery and Delivery”项目的支持。
https://doi.org/10.1038/s41588-025-02203-4
小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn
投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com
（转自：小麦研究联盟）
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