aBIOTECH:中国农业科学院植物保护研究所周雪平团队创建利用蛋白质翻译重编程特异性调控抗性基因表达的技术体系

2026-02-14 08:56:03

培育抗病种质是破解植物病害防控的核心途径。受限于天然抗病种质资源严重匮乏，转基因技术与基因编辑手段为抗病种质创制提供了重要解决方案。然而，抗病基因的持续表达虽可提升作物抗病性，却常伴随产量下降、品质劣变等负面效应。因此，实现病原侵染诱导下抗病基因的特异性表达，成为破解上述瓶颈的有效策略。

2026年2月3日，中国农业科学院植物保护研究所周雪平教授团队在《aBIOTECH》online发表题为 “A pathogen-induced translational shift enhances plant disease resistance without obvious fitness costs” 的研究论文，该研究成果系统建立了基于上游AUG（uAUG）调控植物抗病基因表达的技术体系，为抗病基因的高效利用与抗病种质创新提供了关键技术支撑。

该研究依托团队对我国双生病毒效应子（cC4 和 mC4）表达模式的系统解析，以及对植物内源基因表达调控机制的深入探索，结合团队 2024年发表于《Plant Communications》、2026年发表于《Nature Communications》的系列研究基础，成功构建了基于uAUG特异性调控抗病基因表达的技术体系，并以此创制出不影响产量与品质的抗病新种质，为精准防控植物病害流行危害提供了重要技术支撑。

周雪平团队前期研究发现，约 20% 的菜豆金色花叶病毒属病毒 C4 基因存在两个同框 AUG（in-frame AUG）；蛋白质谱分析证实，这类病毒可编码两种定位不同的 C4 蛋白 —— 叶绿体定位的 cC4（Chloroplast-localized C4）与细胞膜定位的 mC4（Membrane-associated C4）（Plant Communications, 2024; Nature Communications, 2026）。受双生病毒利用 in-frame AUG 策略表达不同病毒效应子的启发，团队对拟南芥中35,386个编码基因进行全基因组筛选，重点分析携带 in-frame AUG的功能基因。对拟南芥蛋白质组的系统分析显示：共有 14 个基因含有 in-frame AUG，且编码蛋白与双生病毒 C4 蛋白具有相似的功能结构域。

研究选取负调控水杨酸信号通路的关键基因PI4KIII β1开展深入解析，证实PI4KIII β1可编码两种定位不同的蛋白亚型——长亚型（longer variant，叶绿体定位）与短亚型（shorter variant，细胞膜定位）。对两种蛋白亚型表达模式的分析表明，PI4KIII β1基因 5'UTR 可响应病原相关分子模式（如 flg22）进而调控不同蛋白亚型的选择性表达。通过构建荧光报告系统并结合药物学实验，团队进一步证实：PI4KIII β1 5'UTR 能够响应病原相关分子模式而特异性介导蛋白翻译重编程（包括翻译起始位点的选择等）。

在此基础上，以PI4KIII β1 5'UTR 为核心元件，对含 in-frame AUG 的顺式作用元件进行系统优化改造，成功构建出可严谨调控报告基因表达并特异性响应多种病原相关分子模式（flg22、chitin 等）的PI4KIII β1 5'UTR casette表达元件。

团队选取前期鉴定并证实对多种病原具有广谱抗性的HIR1基因（New Phytologist, 2020）为目标应用基因，通过转基因技术获得由PI4KIII β1 5'UTR casette元件驱动HIR1表达的稳定遗传材料。表型与产量性状分析表明，该转基因植株在叶片形态、单株种子重量等关键性状上与野生型无显著差异。对转基因植物进行接种试验进一步证实，该转基因材料对真菌、细菌和病毒均表现出优异的广谱抗病性。该研究鉴定并建立了一套利用蛋白质翻译重编程而特异性调控植物抗病基因表达的技术体系，为抗病基因的高效利用与抗病种质的快速创制提供了新思路。

周雪平教授为该论文通讯作者，梅玉振博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金基金重点国际(地区)合作研究项目（W2411024）资助。