Pm37 作为易感 Sr22 等位基因赋予小麦对白粉病和叶锈病的抗性

保护一种全球主粮

小麦养活了地球上近三分之一的人口，但其叶片持续遭受引起白粉病和锈病的显微真菌侵扰。这些感染可以悄然夺走大量产量，威胁粮食安全。本研究揭示了一种强大的天然防护——名为 Pm37 的单一基因，帮助小麦抵御两种主要病害——白粉病和叶锈病，同时展示了近缘基因如何以意想不到的方式对抗截然不同病原体的曲折故事。

藏在小麦家谱中的防御

现代面包小麦是几种古老禾本科植物长期复杂交叉的产物。其野生近缘种仍携带许多可利用的性状，尤其是强有力的病害抗性，育种者希望在不引入低产或其他不良性状的情况下加以利用。Pm37 最初在来源于近缘小麦 Triticum timopheevii 的育种系中被注意到，该基因在中国田间为白粉病提供了十多年持久的抗性。挑战在于定位确切基因并弄清它在这盘错综复杂的小麦家族史中的来源。

追踪抗性基因

研究人员将传统遗传学与最先进的 DNA 测序相结合以定位 Pm37。他们将携带 Pm37 的抗病系与一个易感品种杂交，追踪数千个后代中抗性的出现，逐步将搜索范围缩小到小麦 7A 染色体上的一个微小区域。在那里，他们发现了一小组基因，并集中注意到一个编码免疫受体蛋白的候选基因，这类蛋白属于植物用来识别入侵微生物的大型家族。由于常用参考小麦基因组无法清晰捕获该区域，团队使用长读长测序构建了供体系的高质量基因组拼装，揭示 Pm37 区域是一段通过中间近缘种从古老的单粒小麦 Triticum monococcum 导入的 DNA 片段。

验证防护机制

为了证实该受体基因确为 Pm37，团队采用了若干独立的方法。首先，他们对抗病系进行了化学诱变，并筛选失去抗性的植株。在每一个表现出易感性的突变体中，候选基因都携带有破坏性变异，蛋白质结构建模显示这些变异会扰乱其构象。接着，他们用基于病毒的系统瞬时沉默该基因；一旦其活性被抑制，原本免疫的叶片就被白粉菌侵染。最后，他们将 Pm37 导入一个通常易感的小麦品种。转基因植株对数十个白粉菌分离株表现出完全抗性，证明该单一基因既是强效防护的必需因子又足以单独赋予抗性。

从早期警报到细胞自杀

更深入的观察揭示了 Pm37 如何帮助小麦阻止感染。在抗病植株中，真菌孢子无法建立感染，叶片在入侵后不久出现活性分子的激增并激活多种与防御相关的基因。Pm37 蛋白含有一个卷曲-线圈（coiled-coil）“头部”区域，充当触发器。当研究者在烟草叶片中表达 Pm37 及其各个片段时，只有包含该头部区域的构建体能够引起快速的局部细胞死亡。这种受控的自我毁损将真菌围隔开来，牺牲少数细胞以保护叶片其余部分乃至整株植物。

一基因，不同敌人

也许最令人惊讶的发现是 Pm37 实为另一著名小麦基因 Sr22 的一个变体，后者可抵抗毁灭性的茎锈病。两种基因版本的蛋白序列几乎相同，但在关键位点存在差异，从而改变了它们识别的病原体。Pm37 带有与对茎锈易感相关的特征，然而它对白粉病提供强效抗性，并对某一株系的叶锈病提供中等抗性。这一罕见的“功能分化”实例表明，单个免疫受体中少量序列变化即可将防护目标从一种病害重定向到另一种。作者鉴定出了育种者可用来追踪 Pm37 的诊断性 DNA 标记，并证明将其引入高产品系不会损害重要农艺性状，使其成为打造更具韧性作物的有吸引力工具。

对未来粮食的意义

用通俗的说法，这项工作发现并验证了小麦基因组中的一处天然安全开关，能够在真菌压倒植物之前识别并阻止特定入侵者。通过追溯其在古老小麦近缘种中的来源、解码其如何触发局部细胞死亡，以及揭示其与茎锈抗性基因的紧密亲缘关系，该研究展示了进化如何重复利用并改造相同的分子部件以应对不同的病害挑战。对于农民和育种者来说，Pm37 为防护小麦免受白粉病及部分叶锈病提供了稳健的新选项，并提示有可能通过改造相关基因来同时抵御多种疾病。

引用: Jin, Y., Li, W., Li, Y. et al. Pm37 as a susceptible Sr22 allele confers resistance to wheat powdery mildew and leaf rust. Nat Commun 17, 3165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69717-1

关键词: 小麦病害抗性, 白粉病, 植物免疫基因, 野生小麦近缘种, 锈菌