宁波大学陈剑平院士团队等揭示小麦硫胺素噻磋合成酶TaTHI2介导的抗性机制

由中国小麦花叶病毒（Chinese wheat mosaic virus, CWMV）引起的中国小麦花叶病毒病是危害我国小麦粮食安全生产的病害之一。该病害在我国的山东、江苏、浙江等地均有发生，且在江苏大丰与山东胶东半岛等地的冬小麦种植区的危害较为严重。近年来病害调查发现 CWMV 有北扩西移的发展趋势，严重威胁了我国小麦的粮食生产安全。选育并推广抗病品种是防治中国小麦花叶病毒病最为经济有效的措施。因此，挖掘中国小麦花叶病毒病抗病基因，解析其介导的抗病机理，可为中国小麦花叶病毒病抗病品种的选育提供优质基因资源，并对中国小麦花叶病毒病的可持续绿色防控具有重要的作用。

近期，宁波大学陈剑平院士团队羊健研究员小组在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“TaTHI2 interacts with Ca2+-dependent protein kinase TaCPK5 to suppress virus infection by regulating ROS accumulation”的研究论文，该研究鉴定到一个小麦硫胺素噻磋合成酶（thiamine thiazole synthase, TaTHI2），揭示了该蛋白能够诱导寄主抗病性，并对其作用机制进行解析，且进一步发现CWMV CP可以破坏该途径帮助病毒的侵染。

硫胺素（thiamine, TTP）俗称维生素 B1，是生物体中不可缺少的维生素。TTP 主要以硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate, TPP）的形式在糖酵解与柠檬酸循环等代谢途径中发挥辅酶的作用。TTP 主要在叶绿体中通过两条独立的途径合成，分别合成噻磋和嘧啶两个部分。噻唑合成酶 THI1/2 负责催化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD）和甘氨酸（glycine, Gly）合成腺苷化噻唑（adenylated thiazole, ADT），为硫胺素噻磋部分的合成提供前体。有报道表明THI1/2在植物受到干旱、渗透胁迫时发挥了一定作用，然而THI1/2基因与植物病毒侵染的关系还未有报道。

图1. TaTHI2正调控小麦对CWMV的抗性

在本研究中，作者发现CWMV侵染可以诱导TaTHI2在细胞膜上定位。在小麦中利用RNAi技术敲除TaTHI2后显著增加了CWMV在寄主中的积累量，而过表达TaTHI2可抑制CWMV的侵染，揭示了TaTHI2正调控小麦对CWMV的抗性。进一步研究发现，过表达TaTHI2能够提高小麦硫胺素含量。

图2. TaTHI2调控TaCPK5-TaCAT1模块促进H2O2的积累

为阐明TaTHI2帮助小麦抗病的分子机制，利用CO-IP以及LCI试验发现TaTHI2能够与Ca2+依赖蛋白激酶TaCPK5发生互作。体外磷酸化试验表明TaTHI2会抑制TaCPK5的自磷酸化能力。进一步利用 LC-MS/MS、Co-IP 与LCI 试验分析发现 TaCPK5 的底物为过氧化氢酶1（Catalase 1, TaCAT1）。体内外磷酸化与生理生化实验分析表明 TaCPK5 主要通过磷酸化 TaCAT1的S258位点，增强TaCAT1 去除 H2O2的能力，导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）的积累量减少。体外磷酸化实验、平行反应监测系统（parallel reaction monitoring, PRM）和生理生化试验分析发现 TaTHI2 通过 TaTHI2-TaCPK5-TaCAT1 的级联反应，调控 ROS 在植物体内的积累，从而激活植物免疫反应，抑制 CWMV侵染。

图3. CWMV CP清除ROS促进病毒的侵染

体外竞争性pull-down实验表明CP与TaCPK5竞争性结合TaTHI2。体外磷酸化实验发现 CP 能够恢复TaCPK5的自磷酸化能力。DAB以及NBT实验表明CWMV侵染的T-L8、T-L6 与 T-L1植株中ROS的积累水平显著低于对照小麦植株。

图4. CWMV CP与TaTHI2 在植物与病毒相互作用中的分子模式图

综上所述，在CWMV侵染过程中，定位于细胞膜的TaTHI2通过抑制 TaCPK5 磷酸化TaCAT1能力促进ROS的积累，从而抑制CWMV的侵染。为了抵御植物的抗病反应，CWMV编码的CP蛋白通过与TaCPK5竞争性结合 TaTHI2，恢复TaCPK5磷酸化TaCAT1的能力，阻遏该条抗病通路从而促进病毒的侵染。

宁波大学与西北农林科技大学联合培养的博士研究生杨锦为本文的第一作者，中国农业科学院与中国农业大学联合培养的博士研究生陈露为本文的共同第一作者，宁波大学陈剑平院士、羊健研究员为共同通讯作者。中国农业科学院作物科学研究所陈明研究员、英国邓迪大学陈志辉教授、宁波大学刘芃助理研究员、钟凯丽副研究员、刘佳倩博士后以及张娟博士研究生等也参与了本研究的部分工作。该研究工作得到小麦产业体系（CARS-03）、浙江省自然科学基金（LDQ23C140001）、浙江省高层次人才计划项目（2022R52022）等项目资助。

来源：植物胁迫与抗逆研究

转自：“iPlants”微信公众号

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