本研究聚焦基因工程学，探讨小麦条锈菌源免疫诱抗蛋白Pst09944及其衍生生物材料和应用。研究揭示了Pst09944蛋白的特性，并探索其在生物技术领域的潜在用途。
背景技术
由条形柄锈菌小麦专化型(条锈菌， Puccinia striiformis f.sp. tritici)引起的条锈病是小麦种植区的一种病害。条锈菌侵染寄主植物后，寄主植物出现黄萎和坏死等症状，使寄主植物活力减弱，分蘖数、穗数和种子数减少，株高及种子的重量和质量降低，引起产量的损失和品质的下降。为了拓宽和丰富小麦抗条锈病基因资源库，科技工作者不断从小麦推广品种、地方品种、野生亲缘种以及远缘物种中发掘抗条锈病基因。条锈菌毒性小种的快速变异使其克服了小麦品种中的抗病基因，并且适应了不同的环境条件。以植物免疫防御机理为理论依据，从病原菌中发掘天然免疫诱抗资源，阐明诱抗剂提高作物抗性的激活机制是制定作物病害防治策略的核心问题，也是设计植物免疫诱抗剂作为农药的分子基础。因此鉴定条锈菌的免疫激发子，挖掘新的基因资源，对诱抗剂的靶标、受体识别、关键激活部位、信号转导以及诱抗剂的激活机制进行深入的研究对小麦条锈病的持久防控具有重要的理论意义。
随着病原菌和植物的不断斗争，植物进化出位于细胞表面的模式识别受体(Pattern recognition receptors, PRRs)用以识别来自于病原菌相关分子(Pathogenassociated molecular pattern, PAMP)进而激发一系列的下游免疫反应。以细菌鞭毛蛋白为例，鞭毛是细菌的一种鞭状运动器官，主要存在于革兰氏阴性细菌。鞭毛不仅为细菌提供运动力，而且通过趋化作用有助于细菌入侵和黏附到宿主细胞，还参与生物膜形成，并与细菌毒力分泌系统相关，是细菌致病潜力的必需结构。1999年，Felix等最先发现来自丁香假单胞菌DC3000等病原菌鞭毛蛋白N端保守的22个氨基酸能被植物识别，该氨基酸序列组成的多肽(flg22)能够诱导番茄和拟南芥产生免疫反应。通过图位克隆和受体-配体结合分析，确认了FLS2（Flagellin-sensitive 2, 鞭毛蛋白敏感2）为flg22的受体。flg22是目前研究最为深入的一个PAMP，flg22诱导的免疫也是研究植物与微生物相互作用的最经常使用的模式系统之一。INF1是一种脂质结合蛋白，也是卵菌中最具有代表性的PAMP之一，可被多种十字花科和茄科植物识别并激发防御反应。除此以外。疫霉LRR-RLK具有胞外域相对较短，LRR motif数量较少，激酶区与植物激酶独立进化的特点，最新的研究发现卵菌RLK6蛋白的胞外LRR（Leucine-rich repeat，富含亮氨酸重复序列）片段可以作为PAMP被植物识别。几丁质寡聚糖是来自于真菌中典型的PAMP。几丁质由一系列1,4连接的N-乙酰氨基葡萄糖组成，该组份广泛分布在真菌细胞壁、节肢动物外骨骼及线虫中。在植物病原真菌侵染宿主过程中，宿主产生的水解酶如几丁质酶可以将真菌细胞壁降解产生几丁质寡聚物，这些几丁质低聚物进而激活宿主免疫反应。识别几丁质低聚物的分子位于细胞表面，已知有免疫受体如CERK1，CERK1识别几丁质低聚物后，会诱导一系列免疫反应。除了几丁质以外，近些年的研究陆续报道了一系列来自于病原真菌的PAMP分子。例如，稻曲病菌的一个富含丝氨酸苏氨酸的糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白SGP1在水稻叶片上引起免疫反应，植物可以特异性识别其N端的22个氨基酸保守氨基酸SNP22。大丽轮枝孢分泌蛋白VP2主要在病原入侵棉花的中期表达，并能引起烟草、拟南芥和棉花叶片的活性氧爆发与坏死。VP2转基因棉花在苗期对大丽轮枝菌的抗性显著增强，转基因棉花中参与细胞壁修饰、响应真菌和木质素代谢基因的表达显著增强，转基因棉花中木质素含量也显著增强，表明VP2在棉花中能诱导免疫。
离子内流是目前已知的反应最快的病原体相关分子模式触发的免疫反应（PAMP-triggered immunity，PTI）之一，不同的PAMPs或DAMPs能够在0.5-2分钟内引起定位在细胞质膜上的离子通道打开和胞外Ca2+内流。正常情况下质外体中游离的Ca2+浓度远高于细胞质，当植物的免疫受体识别到病原菌后可以迅速激活Ca2+通道，触发胞质内Ca2+的瞬时增加，因此，Ca2+内流是触发下游免疫信号转导的基础。PAMPs诱导的活性氧(Reactive oxygenspecies, ROS)产生是另一种典型的早期免疫反应，Ca2+的流入和ROS的产生是植物细胞对于病原菌应激的基本反应之一。当植物遭受病原菌侵染时会迅速产生大量的ROS，并在某一时段达到峰值，这被称为活性氧迸发。ROS本身可以作为一种抗菌剂，并且它还能促进细胞壁的糖蛋白交联，引起细胞壁增厚。不仅如此，ROS的产生机制与Ca2+息息相关：PRR复合体在PTI激活后，可以通过胞质类受体激酶激活Ca2+通道，导致细胞质中的Ca2+上调；Ca2+也可以直接结合并激活RBOHD，或激活相关激酶的活性来诱导RBOHD的磷酸化，进而引起ROS的快速产生。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联是真核生物中进化高度保守且功能重要的信号模块，它通过MAPKKKs、MAPKKs、MAPKs逐级磷酸化的方式将这些信号一步步传递和放大。激活的MAPKs磷酸化下游底物，引起细胞生理活动的改变。目前参与响应最多的植物MAPK级联是MKK4/5-MPK3/6级联。除了以上这些信号事件，PTI经典信号转导事件还包括防御基因的表达、气孔关闭、胼胝质沉积等。由于植物的免疫水平与其生长抑制密切相关，植物免疫的持续激活可能也会导致植株的生长长势变弱，也称之为免疫自激活。
值得注意的是，尽管目前PAMP等质外体效应子的研究取得了巨大的进展，但锈菌中的PAMP分子仍未被鉴定到。发掘锈菌的PAMP分子并探究其发挥作用的分子机理是亟待解决的重要科学问题，也为培育小麦抗条锈病提供新的基因资源和绿色免疫诱抗材料。
实现思路