植物免疫研究团队在小麦广谱抗条锈病材料创制方面取得新进展

近日，植物免疫研究团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为“Simultaneous editing of three homoeologs of  TaCIPK14  confers broad-spectrum resistance to stripe rust in wheat”的研究论文。该研究鉴定到一个感条锈病激酶基因 TaCIPK14 ，并利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了小麦广谱抗病新材料。郭军教授和康振生院士为论文的通讯作者，博士研究生何付新为论文的第一作者。

由条形柄锈菌小麦专化型（ Puccinia striiformis f. sp. tritici ,  Pst ）引起的条锈病是我国小麦生产上最重要病害之一。种植和培育抗病品种是防治小麦条锈病最经济有效的措施。然而，由于存在小麦抗病资源不足及品种垂直抗性易“丧失”等问题，导致传统抗锈育种面临巨大挑战。因此，亟需挖掘新的基因资源，开发新型抗病策略，改良小麦抗病性以实现小麦条锈病的持久控制。感病基因通过促进病原菌识别、侵入寄主或负调控植物免疫反应发挥感病的功能。通过基因编辑技术突变感病基因是改良植物抗病性的高效新途径，已成为当今国际植物病理界的研究热点。

类钙调神经磷酸酶B样蛋白（Calcineurin B-like proteins，CBLs）结合的蛋白激酶（CBL-interacting protein kinases，CIPK）参与调节植物钙信号依赖的各种生理过程。先前研究表明，水稻中OsCIPK14/15为倍增基因，并且正调控微生物相关分子模式诱导的防御反应。序列分析发现，与水稻OsCIPK14/15不同，小麦的同源蛋白TaCIPK14和TaCIPK15出现序列分化，暗示TaCIPK14和TaCIPK15存在功能分化。瞬时沉默 TaCIPK14 后，小麦对条锈菌的抗病性显著提高，伴随着产孢减少、H₂O₂积累增加和病程相关基因显著上调表达。进一步创制了 TaCIPK14 的转基因过表达材料，接种后发现该材料对条锈菌感病性增加，主要表现在产孢增加，活性氧积累减少和病程相关基因表达被显著抑制。综上表明 TaCIPK14 是小麦中一个感条锈病基因。

图1. CRISPR/Cas9基因编辑技术介导小麦中 TaCIPK14 靶向突变

为了进一步明确 TaCIPK14 的功能及其应用潜力，本研究利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术在六倍体小麦中同时敲除了A、B、D基因组的 TaCIPK14 基因（图1）。 TaCIPK14 突变株系对包括中国当前条锈菌流行小种CYR32、CYR33和CYR34在内的5个条锈菌小种产生了广谱抗性。田间试验结果表明， TaCIPK14 突变株系与对照株系相比产量相关农艺性状无显著差异，接种后 TaCIPK14 突变株系的条锈病严重度从对照株系的64.5％降低到51.5％（图2）。

综上，该研究利用基因编辑技术突变小麦感条锈病基因 TaCIPK14 ，创制出广谱抗病材料，在不影响产量性状的前提下赋予了小麦对条锈菌的广谱抗性，为作物抗病改良提供了新思路。

图2. TaCIPK14 突变株系的田间表型鉴定

该研究得到了旱区作物逆境生物学国家重点实验室实验平台提供的技术支持。并得到国家重点研发计划（2021YFD1401000），国家自然科学基金项目（32172381和31972224），陕西省重点研发计划（2021ZDLNY01-01），陕西省自然科学基础研究发展计划（2020JZ-13）和教育部111项目（B07049）资助。