小麦（Triticum aestivum L.）是世界上主要的粮食作物之一，为人类提供了超过20%的食物来源，由条型柄锈菌小麦专化型（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）引起的小麦条锈病是造成小麦产量严重损失的真菌病害之一。合理利用和培育抗病品种是防治小麦条锈病最为有效、经济、环保策略。
近日，西北农林科技大学康振生院士/张新梅副教授团队在
New Phytologist在线发表了题为
Tubby-like protein TaTLP5 enhances stripe rust resistance in wheat by regulating TaCAT1 protein degradation的研究论文，揭示了TaTLP5-TaSKP1-TaCullin1复合物通过介导TaCAT1蛋白的泛素化降解，进而正调控小麦抗性的分子机制。
类Tubby蛋白（Tubby-like proteins, TLPs）是一类在真核生物中广泛分布且高度保守的蛋白家族。依据结构与功能特性的差异，TLP蛋白可划分为多个亚家族。其中，Tubby-like F-box亚家族蛋白的N端含有一段F-box基序，这一结构使其能够参与泛素介导的蛋白酶体降解途径。目前，TLP基因参与植物免疫反应的分子机制仍较为复杂，相关研究尚未完全明晰。
该研究通过前期转录组数据分析鉴定到一个受条锈菌强烈诱导的小麦Tubby-like F-box基因TaTLP5。沉默TaTLP5增强了小麦的感病性，表现为夏孢子堆增多、病菌生物量上升；而过表达TaTLP5则显著增强小麦对条锈菌的抗性，表现为孢子堆减少、H₂O₂积累增强、菌丝生长抑制。为解析TaTLP5介导抗病性的分子机制，利用酵母文库筛选及体内外蛋白互作实验证实TaTLP5通过F-box结构域与TaSKP1互作；萤火虫荧光素酶互补及co-IP实验进一步证实，TaSKP1作为桥接蛋白介导TaTLP5与TaCullin1形成功能性SCF复合体。病毒诱导的基因沉默实验表明，沉默TaSKP1会增强小麦感病性；而过表达TaSKP1的转基因小麦则过敏性坏死反应增强、叶片条锈菌生物量降低，证实TaSKP1正向调控小麦对条锈菌的抗性。
Tubby-like F-box蛋白已被证实作为SCF型E3泛素连接酶的底物识别亚基发挥作用，从而介导靶蛋白的降解并调控多种生物学途径。为明确TaTLP5靶向的底物蛋白，我们通过免疫共沉淀质谱（IP-MS）技术进行筛选，经酵母双杂交、萤火虫荧光素酶互补、pull-down及co-IP验证，发现TaTLP5能够与小麦过氧化氢酶TaCAT1相互作用（图1）。病毒诱导的基因沉默及稳定的转基因过表达实验进一步证实TaCAT1负调控小麦对条锈菌的抗性。
图1. TaCAT1与TaTLP5直接相互作用。
为了进一步探究TaSKP1是否影响TaTLP5与TaCAT1之间的互作，通过体外下拉实验结果表明，TaSKP1能够促进TaTLP5与TaCAT1的互作；同时体内泛素化及细胞游离降解实验表明，TaTLP5-TaSKP1复合体能够通过26S蛋白酶体途径显著促进TaCAT1的泛素化降解。此外，在TaCAT1稳定的过表达材料中瞬时过表达TaTLP5能够显著降低小麦过氧化氢酶活性，促进活性氧积累，显著削弱TaCAT1的负调控作用，最终提高小麦对条锈菌的抗性。本研究揭示小麦Tubby-like F-box蛋白TaTLP5通过与TaSKP1和TaCullin1形成SCF型E3泛素连接酶复合物，进而促进小麦过氧化氢酶TaCAT1的泛素化及降解，这一过程会导致细胞内活性氧水平升高，最终增强小麦对条锈菌的抗性（图2）。
图 2. 保守的TaTLP5-TaSKP1-TaCullin1模块通过介导TaCAT1的泛素化降解正调控植物免疫反应
西北农林科技大学植物保护学院博士研究生张艳琴和于龙辉为论文第一作者。康振生教授和张新梅副教授为本文的通讯作者。王晓杰教授对本研究提供了重要支持与帮助；博士后郭双元、在读研究生林艺以及本科生刘浩杉也参与了该研究工作。感谢山西师范大学郜刚教授在实验思路方面提供的帮助。感谢西北农林科技大学作物抗逆与高效生产国家重点实验室的张琼博士、赵华博士、袁凤平博士在免疫沉淀质谱以及真菌生长/宿主反应的组织学观察方面给予的技术支持。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及陕西省自然科学基础研究计划重点项目的资助。
https://doi.org/10.1111/nph.70956
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