甘蔗受體激酶WAK在病原菌脅迫下的功能和作用機制

甘蔗

（

Saccharum

spp。

）

是一種主要種植於亞熱帶和熱帶地區的經濟作物，蔗糖佔全球和我國糖產量的比重分別高達

70%

和

85%左右

，在農業經濟中佔有重要地位。與其它作物一樣，外界環境中的生物和非生物脅迫，如干旱、低溫、以及病原菌是制約甘蔗生產的主要因素。甘蔗黑穗病是由黑粉菌

（

Sporisorium scitanmineum

）

引起的一種世界性真菌病害，嚴重危害甘蔗產業的良性健康可持續發展。我國大陸蔗區主栽品種新臺糖

22號

（ROC22）

、柳城05-136

和桂糖

42

號等對黑穗病抗性不佳，進一步加大了甘蔗產業的病害脅迫壓力。甘蔗抗病基因工程是一種在甘蔗中挖掘抗性基因並將其應用於培育具有目標抗性甘蔗品種的病害控制策略，最具成本效益且環境友好。細胞壁相關受體激酶

（wall-associated kinase，WAK）

是一種編碼與細胞壁相關的功能蛋白，屬於植物類受體激酶

（receptor-like kinase，RLK）

中的一個重要亞家族。

WAK基因家族的大部分成員與植物的生長髮育、細胞

增殖和病原菌抗性密切相關。因此，探究

WAK

基因家族成員的分子進化機制以及不同成員的功能特性，對植物抗逆分子育種具有較為重要的理論和實踐意義。然而，目前在甘蔗中尚未見關於

WAK基因

家族的進化和功能研究的報道。

近日，福建農林大學

闕友雄

和

王恆波

團隊在國際學術期刊

International Journal of Biological Macromolecules

線上發表了題為

Identification and characterization of WAK gene family in Saccharum and the negative roles of ScWAK1 under the pathogen stress

的研究論文。該研究

基於已報道的甘蔗割手密

（

Saccharum spontaneum

）

和

甘蔗栽培種

R570

基因組資料庫，挖掘甘蔗

WAK

基因家族成員，並對其進行生物資訊學分析，包括系統發育、序列特徵、啟動子順式作用元件和表達模式等分析，較為系統地系統瞭解了甘蔗

WAK

基因家族成員的基本特徵和表達特性。此外，作者還明確了甘蔗

ScWAK1

是一個膜蛋白，其透過調控過敏反應

（hypersensitive response，HR）

和乙烯

（ethylene，ET）

通路相關基因，負調控植物對病原菌的防禦反應。該研究揭示了甘蔗

WAK

基因家族的起源、分佈和進化，為甘蔗抗性育種提供了潛在的基因資源。

具體地，首先，該研究在基因組水平上，從甘蔗割手密和甘蔗栽培種基因組中分別鑑定到

19

個

Ss

WAK

s

基因和

12

個

Sh

WAK

s

基因。系統發育樹顯示，雙子葉植物中的

WAK

蛋白被聚類到

Group Ⅲ

，而甘蔗中的

WAK

蛋白同其它單子葉植物中的

WAK

蛋白均被聚類到

Group I， Ⅱ and IV

（圖1A）

。其次，上游啟動子序列順式作用元件預測表明，

WAK基因

家族不同成員的啟動子區域中包含多個與脅迫、生長髮育和激素響應相關的順式作用元件

（圖1B）

。然後，

RNA-seq

資料分析揭示，

SsWAK基因

家族成員在甘蔗不同組織中組成型表達，並參與對黑穗病菌脅迫的響應過程

（圖1C）

。

圖1 甘蔗WAK基因家族的鑑定及表達特性

進一步，作者從甘蔗栽培品種

ROC22中

，克隆到一個典型的細胞壁相關受體激酶

ScWAK1

（GenBank登入號：OP479864） （圖2A）

。該基因在甘蔗葉片和根中高表達

（圖2B）

，並且在黑穗病菌和外源激素水楊酸

（salicylic acid，SA）

和茉莉酸甲酯

（methyl jasmonate，MeJA）

脅迫下，可被誘導表達

（圖2B）

。特別地，作者發現

ScWAK1

基因可能透過調控

HR

和

ET

途徑中某些基因的表達，負調控植株對病原菌的脅迫響應

（圖2C和D）

。

圖2 甘蔗

ScW

AK1

基因編碼的氨基酸結構和功能分析

最後，作者構建了甘蔗

ScWAK1

基因在抗病防禦反應中的調控機制模型

（圖3）

。以上研究，將有助於深化我們對甘蔗

WAK

基因家族的進化和功能的認識，同時也為深入解析

ScWAK1

基因如何在甘蔗應答生物脅迫中發揮作用積累了較為豐富的資料，並奠定了良好的基礎。

圖3 甘蔗

ScW

AK1

基因在病原菌脅迫下的調控機制模型

福建農林大學農學院在讀博士研究生

王東姣

為該論文的第一作者；福建農林大學甘蔗綜合研究所、農業農村部甘蔗生物學與遺傳育種重點實驗室、國家甘蔗工程技術研究中心

/農學院

王恆波

副研究員和

闕友雄

研究員為該論文的共同通訊作者，

郭晉隆

副研究員參與該項工作。福建農林大學農學院在讀碩士研究生

覃麗謙

、

吳明星

、

鄒文會

、

臧守建

、

趙振南

及

林佩霞

參與該研究。該研究得到國家重點研發計劃、福建省自然科學基金、國家自然科學基金和國家糖料產業技術體系等專案的資助。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.11.300

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