Plant Physiology | 严六零教授课题组解析六倍体小麦NLR基因致死的诱导机制!

近日，美国俄克拉荷马州立大学严六零课题组在Plant Physiology上发表题为“A semi-dominant NLR allele causes whole-seedling necrosis in wheat”的研究论文。该研究在六倍体小麦中克隆了一个在没有病原体或外界刺激下仍会导致整个幼苗过早死亡的NLR基因。

研究者在遗传转化过程中产生了一个导致植株致死的突变体，其整株植株死亡的表型类似于杂交优势利用过程中杂种坏死。遗传分析发现，其致死表型受单基因控制并且基因效应表现为半显性。为了给杂种坏死方面的研究提供些许帮助，对引起致死表型的基因进行了图位克隆，发现候选基因为一个NLR基因，编码958个氨基酸。与野生型比较，突变基因mDES的第 441位发生了一个点突变（G/A，Asp/Asn），在第2个外显子上发现一个非同义的SNP突变(G/A，Asp/Asn)。

进一步分析发现，mDES1第 441位的氨基酸进化上非常保守。为了证明这个关键的点突变，将mDES1基因转到小麦品种Bobwhite中，T0植株表现植株弱小，单分蘖的表型，T1代出现表型分离，具有致死表型的植株均含有mDES1基因，而野生型均没有mDES1基因。烟草中的瞬时表达实验也表明mDES1基因能够引起细胞死亡。为了证明是否是DES1基因的功能丧失导致了苗期植株的死忙，利用CRISPR-Cas9对该基因进行了编辑，获得两种基因编辑类型DES-ED152(6bp缺失)和DES-ED271(单碱基插入)，后者导致编码氨基酸提前终止，均未没有表现出致死表型。该结果说明mDES1是功能获得型突变。DES1蛋白的3D结构生信分析发现K365和D441 位点可形成盐桥(salt bridge )。针对K365位点，创造了一个新突变基因mDES2 (K/A)，mDES2的转基因、烟草瞬时表达实验以及蛋白互作的结果均与突变体mDES1的结果类似。蛋白互作分析发现，DES1蛋白可与RPA32 (TraesCS6A01G220800)互作，但mDES1并不能与之互作。

综上所述，本研究在六倍体小麦中克隆了一个在没有病原体或外界刺激下仍会导致整个幼苗过早死亡的基因。该基因编码NLR蛋白，其第441位点的氨基酸变异为功能获得性变异，同时导致蛋白互作的改变。

南京农业大学的贾海燕教授（当时在俄克拉荷马州立大学做访问学者）、河南大学的薛树林教授（当时在俄克拉荷马州立大学做博士后）以及美国俄克拉荷马州立大学的Lei Lei 为共同一作，俄克拉荷马州立大学严六零教授为通讯作者。

文章链接：

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiab058/6134101