近日，農學院王秀娥教授團隊在《Nature Communications》發(fā)表了題為“A wheat CC-NBS-LRR protein Ym1 confers WYMV resistance by recognizing viral coat protein”的研究論文。該研究通過經典遺傳學方法結合突變體創(chuàng)制、轉錄組和比較基因組分析，成功克隆了目前生產上應用最廣、來自山羊草屬外源片段漸滲的抗小麥黃花葉病基因Ym1，系統(tǒng)闡明了其從根部源頭阻斷病毒侵染的抗性機制。

20世紀60年代，由小麥黃花葉病毒（Wheat yellow mosaic virus, WYMV）引起的小麥黃花葉病毒病在我國四川首次報道，90年代在江蘇蘇中等地區(qū)重發(fā)，最初命名為小麥梭條花葉病，后更名為小麥黃花葉病。WYMV通過土壤中禾谷多黏菌（Polymyxa graminis, Pg）作為介體侵染和傳播，因此培育和利用抗病品種是最有效和根本的防控措施。不同研究團隊在2DL、3BS、5AL、6DS等染色體上定位了抗性位點，其中位于2D上的基因被多個研究團隊反復報道，分別命名為QYm.nau-2D（本研究團隊）、YmYF、YmIb和Q.Ymym等，但該基因尚未克隆，其介導的抗性遺傳機理也不清楚。

2023年，我們發(fā)現Ym1來自一個山羊草屬物種的外源漸滲（Chen et al., 2023, TAG），由于定位區(qū)間重組抑制，增加了Ym1克隆的難度。為此，研究團隊引入中國春ph1b突變體促進同源重組，將定位區(qū)間縮小至5.8 Mb區(qū)間（Fielder 2D: 610.7Mb~616.5 Mb）；對EMS誘變獲得的感病突變體進行重測序，與Fielder（攜有Ym1）基因組序列比對，發(fā)現候選區(qū)間內僅有編碼CC-NBS-LRR類抗病蛋白（NLR）基因（TraesFLD2D01G565300）在3個突變體中均發(fā)生序列變異；轉錄組分析表明，該基因受WYMV侵染誘導在根部特異上調表達；共線性分析發(fā)現，該基因僅存在于Fielder等攜有Ym1的品種中，在其他品種中缺失；因此將其視為Ym1唯一候選基因。功能驗證顯示，NLR靶向敲除突變體及其基因敲低植株均喪失抗性，而過表達NLR的轉基因植株則抗病性增強，證實該NLR是Ym1的目的基因。

圖1小麥抗黃花葉病Ym1基因的精細定位和候選基因預測

圖2 Ym1的功能驗證和根部特異性抗性解析

進一步研究發(fā)現，Ym1通過識別并與WYMV外殼蛋白（CP）互作觸發(fā)免疫反應：其LRR結構域與CP互作，CC結構域引發(fā)細胞壞死。亞細胞定位表明，Ym1在細胞核和細胞質中均有分布，Ym1-CP互作后，Ym1發(fā)生核-質重定位（從細胞核轉移至細胞質），將其從抑制狀態(tài)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，引發(fā)過敏反應，從而賦予根部特異表達的Ym1抵御病毒向根的中柱鞘侵入的能力，阻止病毒進入地上莖葉部位。值得注意的是，Ym1僅抑制病毒侵染，不影響Pg在根部的定殖。

圖3 Ym1識別WYMV的外殼蛋白（CP）觸發(fā)過敏反應

圖4 Ym1-CP互作導致Ym1的核-質重定位和激活

來源分析發(fā)現，Ym1僅在山羊草屬部分物種中存在同源基因（89.2%-99.6%），例如高大山羊草（Ae. longissima）、西爾斯山羊草（Ae. searsii）等。其中Ym1與小亞山羊草（Ae. columaris, U^cU^cX^cX^c）和三芒山羊草（Ae. neglecta, UⁿUⁿXⁿXⁿ或UⁿUⁿXⁿXⁿNⁿNⁿ）的Ym1同源基因（分別來自X^c或Xⁿ亞基因組）序列相似性大于99.4%，推測Ym1可能通過多倍體山羊草屬物種與普通小麥雜交漸滲進入栽培小麥。

圖5 Ym1來自小亞山羊草X^c或三芒山羊草Xⁿ的亞基因組

最后，研究團隊提出Ym1介導的WYMV抗性的可能模型：Ym1表達具有根部特異性，病毒侵染誘導上調表達；Ym1在沒有病毒感染時以自抑制狀態(tài)存在于細胞核和細胞質，病毒侵染時，Ym1識別WYMV的CP，抗病蛋白轉變?yōu)榧せ顟B(tài)并出核進入細胞質，觸發(fā)過敏反應，從而阻斷病毒侵入根中柱鞘細胞和地上部組織。

圖6 Ym1抗黃花葉病的機制模型

本研究由南京農業(yè)大學已畢業(yè)博士陳一鳴、博士研究生孔德卉、青年教師王宗寬副研究員為共同第一作者，王秀娥教授與肖進副教授為共同通訊作者。寧波大學陳劍平院士和羊健教授團隊、中國農科院的張學勇研究員、楊平研究員為本研究提供了指導和大力支持。河南農業(yè)大學陳鋒教授、孫炳劍教授、江蘇里下河農科所小麥育種團隊、鹽都農科所郭紅研究員團隊在多年抗性鑒定中給予大力支持。南京大學孫博教授團隊助理教授陳煒博士、南京農業(yè)大學植保學院陶小榮教授、南京農業(yè)大學農學院王海燕教授、王巍教授、溫明星副研究員、孫麗博士參與本工作。威斯康辛大學麥迪遜分校翁益群教授、悉尼大學Robert A. McIntosh教授和澳大利亞CSIRO的Evans Lagudah教授在寫作中給予了寶貴意見。本研究獲國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃等項目資助。