小麦茎基腐病（FCR）是小麦的一种全球性土传病害，严重影响产量和品质。目前缺乏高抗性小麦种质，且抗病机制尚不明确。

近日，河南农业大学陈锋研究团队在Nature Communication在线发表了题为“A TaSnRK1α-TaCAT2 model mediates resistance to Fusarium crown rot by scavenging ROS in common wheat”的研究论文，通过多组学方法鉴定到了1个抗小麦茎基腐病的关键基因TaCAT2，通过酵母双杂交筛选发现TaSnRK1α与TaCAT2相互作用，并且TaSnRK1α可磷酸化TaCAT2，结合一系列遗传转化等实验，本研究提出了TaSnRK1α-TaCAT2分子模块通过清除活性氧提高小麦抗病的工作模型。

1.TaCAT2调控小麦茎基腐病抗性的鉴定

本研究通过全基因组关联分析（GWAS）结合双亲本分离群体（RIL-JY和RIL-JZ）的极端表型池外显子测序（WES），在6A染色体22-24 Mb区间锁定了一个与小麦茎基腐病（FCR）抗性显著关联的候选基因——过氧化氢酶编码基因TaCAT2。序列分析发现抗病亲本（金麦1号）与感病亲本（豫农805/郑麦082）在TaCAT2基因区存在215 bp插入缺失（InDel）和36个SNP差异，其中只有2个位点在蛋白水平发生变异Ser214Thr（Ser/Thr）和Lys418Arg（Lys/Arg），可能为关键氨基酸变异位点（图1g）。此外，为了展示TaCAT2变异体与FCR抗性之间的关联，研究者对243个中国小麦品种的TaCAT2基因进行了测序。结果显示，在测试的品种中，3种TaCAT2变异形成了8个单倍型（图1j)。通过共显性分子标记对群体进行单倍型分型，证实携带TaCAT2-R（含Ser214）单倍型的材料表现出显著更强的抗病性和更高的酶活性（图1k)。这一发现为解析小麦应对茎基腐病侵染的抗氧化防御机制提供了关键靶点。

2.TaCAT2 正向调控小麦FCR抗性的功能验证

通过病毒诱导基因沉默（VIGS）、EMS突变体和过表达实验三重验证，对不同组小麦基因表达量、生理生化及性状表现检测（图2），证实TaCAT2是调控FCR抗性的关键基因。沉默TaCAT2导致抗病品种抗性丧失，而过表达则使感病品种获得抗性。值得注意的是，携带提前终止突变的cat2突变体表现出ROS过量积累和严重感病表型，而转基因过表达株系在田间和温室均显示增强的抗性且不影响农艺性状。这些结果不仅明确了TaCAT2的功能，还揭示了其通过清除ROS发挥抗病作用的机制。

图2. TaCAT2 正向调控小麦FCR抗性的功能验证

3.TaCAT2 通过磷酸化与 TaSnRK1α 互作

为了探究TaCAT2调控FCR抗性的分子机制，研究者使用TaCAT2-R蛋白为诱饵，通过酵母双杂交技术筛选了Fp-IV感染的小麦cDNA文库。结果在筛选到的互作蛋白中，TaSnRK1α（蔗糖非发酵相关蛋白激酶α亚基），之前被报道过能够正向调节小麦抗赤霉病。于是继续选择通过酵母双杂一对一验证、荧光素酶互补检测，pull down等验证了TaCAT2与TaSnRK1α间确实存在互作（图3a-d）。作为一种典型的蛋白激酶，TaSnRK1α通常通过磷酸化底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基来发挥其功能。为了探究TaSnRK1α是否可以直接磷酸化TaCAT2，研究者进一步进行了体外和体内磷酸化实验。结果表明，214Ser/Thr是TaSnRK1α在TaCAT2中的关键磷酸化位点（图3e-h），这可能是导致不同小麦FCR抗性差异的原因。

图3. TaCAT2 通过磷酸化与TaSnRK1α 互作

4.TaSnRK1α 通过提高 TaCAT2蛋白水平增强ROS清除功能

为了探究TaSnRK1α是否影响TaCAT2的蛋白水平，研究者分别在烟草叶片细胞中纯化了TaCAT2-Flag和TaSnRK1α-His蛋白。加入TaSnRK1α-His后，随着该蛋白浓度的提升，TaCAT2的蛋白水平也逐渐增强（图4a)，这表明TaSnRK1α能够防止TaCAT2的降解。在烟草和小麦原生质体实验中，共表达TaSnRK1α使TaCAT2-R的蛋白积累量比TaCAT2-S提高约1.5倍。DAB染色实验证实，TaSnRK1α通过增强TaCAT2-R的ROS清除效率，使其对病原菌诱导的氧化胁迫具有更强抵抗能力。这种“激酶-酶底物”协同作用模式为理解植物抗病信号传导提供了新视角。

图4. TaSnRK1α增强TaCAT2^Ser214蛋白稳定性及其活性氧清除能力

5.TaSnRK1α 正向调控小麦FCR抗性的功能验证

为验证TaSnRK1α对小麦茎基腐病抗性的表型效应，研究者从四倍体小麦Kronos的EMS诱变库中筛选出一个TaSnRK1α基因提前出现终止密码子的突变体K331（图5a）。为排除其他突变位点干扰，将K331与野生型回交两次获得BC2代（snrk1α）。接种Fp-IV后，纯合snrk1α突变体在幼苗和成株期均表现出FCR抗性显著降低（图5b-d），且H₂O₂积累量和真菌生物量显著增加（图5e-f），表明TaSnRK1α突变降低了四倍体小麦的FCR抗性。

为进一步验证TaSnRK1α功能，将含TaSnRK1α的过表达载体pUbi::LGY-OE3转入易感品种Fielder中，获得两个高表达株系。接种Fp-IV后，TaSnRK1α-OE株系在温室和田间均表现出显著增强的FCR抗性（图5h-j），且TaCAT2表达量上升（附图20），H₂O₂积累和真菌生物量显著降低（图5k-l）。结果表明，TaSnRK1α可能通过清除H₂O₂正向调控小麦FCR抗性。

图5. TaSnRK1α 正向调控小麦FCR抗性的功能验证

TaCAT2调节FCR抗性的工作模型

本研究发现FCR病原菌侵染会伴随毒素合成和ROS积累，加速植物细胞死亡和病原繁殖；而在抗病品种（含TaCAT2-R）中，TaSnRK1α通过磷酸化与TaCAT2-R互作并促进其蛋白积累，增强其清除ROS的能力，从而提升小麦FCR抗性。本研究可为我国小麦茎基腐病抗病育种提供重要的基因资源，同时为小麦茎基腐病的遗传机制和调控机理解析提供了重要理论基础。

本项目中所用的感染Fp-IV小麦酵母cDNA文库构建及RNA-seq由欧易生物提供。

河南农业大学青年教师阳霞和在读博士生张磊磊为论文共同第一作者，河南农业大学陈锋教授为论文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金区域创新重点项目（U23A20191）、国家重点研发计划（2023YFD1200403）、国家自然科学基金青年基金（32401800）和中国博士后科学基金（2022M711066）项目资助。

参考文献：Doi: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57936-x