WheatOmics | 山东农业大学付道林/吴佳洁团队揭示Yr28激活多层防御赋予小麦条锈病抗性的分子机制

导读：

小麦条锈病（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）是威胁全球小麦生产的重大真菌病害。挖掘抗病基因并解析其分子机制，是培育持久抗病品种的基础。2019年，山东农业大学付道林教授团队与四川农业大学刘登才教授团队合作，克隆了抗条锈病基因Yr28（NLR_4DS-1），但该基因的下游防御通路与分子作用模式未被解析。

主要研究结果：

1.NLR4DS-1基因自然表达赋予小麦条锈病抗性

研究团队将来自节节麦（Aegilops tauschii）的NLR4DS-1全长基因组序列（11,360 bp）转入感病小麦品种‘Fielder’，获得21个独立转基因株系。其中15个T₀代植株对Pst生理小种CYR32表现抗病；T₁代转基因植株相比野生型Fielder的抗病性显著增强，在接种12天后仅出现局部坏死病斑和少量夏孢子堆，而野生型叶片则大面积产孢（图 1a-b）。条锈菌侵染后，病程相关基因TaPR1、TaPR2和TaPR5在转基因植株中的表达量显著上调（图 1c-e）。这些结果表明NLR4DS-1的自然表达足以激活小麦防御反应，对Pst产生高水平抗性。

2. NLR4DS-1转基因植株通过增强活性氧爆发与减少叶绿素限制Pst营养获取

植物活性氧的积累既可以直接抑制病原菌，也可作为一种信号激发植物更多下游防御基因的表达。相比野生型，NLR4DS-1转基因植株在条锈菌接种后可积累更多活性氧。Pst接种24 hpi，superoxide dismutase activity (GO:0004784)等10个ROS相关GO通路在NLR4DS-1转基因植株中被显著富集（图 2a）；24-144 hpi的DAB染色结果，也表明转基因植株在Pst侵染位点相比野生型积累了更高水平的活性氧（图 2f）。与此同时，光合作用和叶绿素代谢相关通路在转基因植株中被显著抑制（图 3a），叶绿素a、叶绿素b含量在5 dpi显著低于野生型（图 3f-g）。此外，TaSAG3、TaSAG5等衰老相关基因在转基因植株中显著上调。上述结果表明，NLR4DS-1转基因材料通过“抑制光合—加速衰老”的调控模式限制病原菌在“绿岛”中的营养获取。

木质素的积累可以加固次生细胞壁，是植物阻碍病原菌侵染的物理屏障。Pst接种24 hpi，木质素生物合成相关GO通路在NLR4DS-1转基因植株中显著富集（图4a），chloroplast structures (GO:0044434, GO:0009941, GO:0009507)等木质素生物合成基因表达上调（图 4b-e）；96 hpi，转基因植株叶片中的木质素含量显著高于野生型（图 4f-g）。这有效加固了物理屏障，增强了对Pst的抗性。

3.部分黄酮类与萜类代谢物可体外抑制Pst生长

为进一步探索NLR4DS-1在代谢层面如何影响小麦抗条锈病过程，研究团队进一步开展了代谢组学分析。结果发现，在24 hpi时，黄酮类和萜类生物合成通路在NLR4DS-1转基因植株中均显著增强（图 5）。值得注意的是，体外实验表明，黄酮类代谢物槲皮素（Quercetin）和萜类代谢物龙脑（Borneol）在100 µM浓度下均可显著抑制Pst夏孢子的萌发和菌丝生长，并有效减少Fielder叶片的Pst生物量。

图5. 在条锈菌侵染时，NLR_4DS-1激活黄酮类化合物和萜类化合物的生物合成

研究结论：

综上，本研究通过转基因功能验证与整合转录组—代谢组学分析，进一步证实了NLR4DS-1是Yr28位点的抗条锈病功能基因，并明确了其通过多层防御策略赋予小麦条锈病抗性：限制病原菌营养获取、加固细胞壁物理屏障、激活黄酮类和萜类化学防御。本研究发现NLR4DS-1激活的槲皮素和龙脑等代谢物具有抗真菌活性，为绿色农药开发和持久抗病品种培育提供了参考。

研究团队与资助：

山东农业大学付道林教授团队长期致力于小麦生物育种与功能基因组学研究，围绕小麦抗病基因克隆、雄性不育机制解析等方向取得了系列重要进展。山东农业大学农学院已毕业博士研究生曲吉成为第一作者，付道林教授和吴佳洁教授为共同通讯作者，硕士研究生寇红云、陈政翰、王浩、本科生叶丰畅参与了研究工作，吕明珠副教授、唐恒博士、Muhanmmad Waqas博士参与了课题指导、数据分析及论文写作。研究得到了山东省重点研发计划（2024CXPT072-1）和国家自然科学基金（32372102）的资助。

期刊简介

WheatOmics是一本由Springer Nature出版的国际同行评审开放获取期刊，聚焦小麦及小麦族植物的前沿研究，涵盖农学、育种、生物技术、遗传学、基因组编辑、微生物组、生理学、人工智能与多组学交叉等领域。本刊由山东农业大学主办，致力于推动小麦族植物科学研究的发展，初始阶段的文章处理费（APC）由山东农业大学承担。更多详情请访问期刊官网：https://link.springer.com/journal/44412

扫描二维码，免费阅读原文

https://link.springer.com/article/10.1007/s44412-026-00014-w