薔薇科果樹類受體激酶的研究進展

左存武，高 博，趙 丹，朵 虎，陳佰鴻*

(1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，蘭州 730070；2 蘭州新區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投資集團有限公司，蘭州 730300)

類受體激酶(Receptor-Like Kinase，RLK)位于細(xì)胞膜，是細(xì)胞識別外界信息的重要渠道，被譽為植物生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)的“中央處理器”[1]。因其功能的重要性，在擬南芥等模式植物中對RLK進行了廣泛深入的研究。在生長發(fā)育方面，部分成員對莖[2]、根毛[3]、種子[4]和花粉管[5]等多個器官發(fā)育的調(diào)控作用被陸續(xù)證實。在環(huán)境適應(yīng)方面，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)能夠識別來自非生物逆境(如干旱、低溫、鹽脅迫等)和生物逆境(病原細(xì)菌、真菌和病毒等)的信號并激活抗性反應(yīng)的RLK家族成員[6-11]。

薔薇科植物包括了蘋果、梨、桃、櫻桃、榅桲、杏、李、覆盆子和枇杷等多種具有重要經(jīng)濟價值的果樹[12]。其中，蘋果、梨、桃、草莓、杏等栽培品種和山荊子、杜梨等重要砧木的基因組已陸續(xù)公布，為后續(xù)功能基因組研究提供了重要支撐(https://www.rosaceae.org/)。近年來，薔薇科果樹RLK在基因組范圍的鑒定等工作已陸續(xù)開展，也有部分研究涉及其調(diào)控功能和調(diào)控機制，并已取得階段性進展。然而，與模式植物相比，RLK在薔薇科果樹方面的研究還存在較大差距。本研究總結(jié)了植物RLK在薔薇科果樹中的研究進展，并提出了建議的重點研究方向，以期為后續(xù)工作的開展提供參考。

1 植物類受體激酶基因(RLKs)

RLK基因是被子植物基因組中最為重要的基因家族之一，在擬南芥、水稻、楊樹、大豆、棉花等多種植物中被陸續(xù)鑒定，存在多達500～1 400個成員[13-19]。典型的RLK蛋白由N-末端胞外結(jié)構(gòu)域(extracellular domain，ECD)、跨膜區(qū)(transmembrane region，TM)和C-末端胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域(kinase domain，KD)組成[13]。ECD類型較多，如leucine-rich repeat(LRR)、legume lectin(L-LEC)、epidermal growth factor(EGF)、lysin motif(LysM)、Cysteine-rich repeat和Malectin等[20]。根據(jù)KD序列的多樣性，可將RLK分為至少60個亞家族[20]。多數(shù)亞家族具有相同或相似的ECD組成，如LRR-RLK亞家族幾乎所有成員都包括至少一個LRR結(jié)構(gòu)域。作為膜蛋白，RLK通過ECD識別胞外信號、經(jīng)TM將其傳遞至KD，并激活下游胞內(nèi)的分子響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)[21-24]。也有部分RLKs缺少ECD，其通過與其他膜蛋白互作，進而調(diào)控細(xì)胞代謝[23]。

RLK在植物中存在較快的進化速率。與動物相比，植物基因組中RLK數(shù)目存在大量的擴增現(xiàn)象。動物、囊泡蟲類等生物中僅存在不足10個RLKs，但被子植物中存在多達600個以上[23]。此外，不同植物類型中RLK數(shù)目也存在較大差異，如擬南芥中約600個成員，而水稻中多達約1100個[13]。同一植物的不同RLK亞家族及同一亞家族在不同植物之間，擴增速率都存在較大差異。如LRR-XIV和LRR-XIIa在被子植物中的總體擴增速率高達3，而LRR-II和LRR-III僅為1.22；LRR-XIIb在楊樹中的擴增速率高達12，而在植物中的總體擴增速率僅為1.5[25]?；蛑貜?fù)主要由串聯(lián)重復(fù)和部分重復(fù)組成，是導(dǎo)致植物中RLK家族成員擴增的主要原因。RLK中串聯(lián)重復(fù)的多個成員參與植物對逆境信號的響應(yīng)，而未發(fā)生基因重復(fù)的亞家族主要參與細(xì)胞生長發(fā)育[26]。

2 薔薇科果樹RLKs鑒定

隨著果樹基因組序列的逐步完善，為RLK在全基因組范圍的鑒定奠定了基礎(chǔ)。目前，已對草莓RLK基因進行了系統(tǒng)鑒定，獲得639個RLKs[27]。作者對蘋果、梨、桃、杏等9種薔薇科植物的RLKs進行了鑒定，發(fā)現(xiàn)其RLK家族成員數(shù)目介于550～1 100個之間(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。此外，也有大量工作對各亞家族成員進行了基因組范圍的鑒定，如薔薇科植物富含亮氨酸RLK(Leucine-rich repeat receptor-like protein kinase，LRR-RLK)和Glyco_18-RLK(Gly-RLK)、蘋果細(xì)胞壁相關(guān)RLK(wall-associated RLK，WAK-RLK)、CrRLK1L、CRK、L-LEC-RLK、LysM-RLK、CR4、梨CrRLK1L和CRK等[28-37]。多數(shù)植物中，LRR-RLK家族成員數(shù)目最多，模式植物擬南芥中存在225個該家族成員，而薔薇科果樹蘋果、梨、草莓、梅和桃中分別存在244、427、201、267和258個成員[37]。此外，朵虎等對51種植物Gly-RLK鑒定發(fā)現(xiàn)，葡萄、桃和蘋果基因分別存在2、4和6個成員，蕓香科果樹甜橙和柑橘中分別存在2和7個成員，但單子葉植物和部分雙子葉植物中不存在該亞家族成員[29]。綜上，果樹基因組中存在數(shù)目龐大的RLK基因家族成員，不同果樹間RLK家族和亞家族成員數(shù)目都存在較大差異。

3 果樹RLKs的進化特征

與其他植物相比，被子植物的基因組存在較快的進化速率和復(fù)雜的進化特征，基因重復(fù)是導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的重要原因之一[38]。其中，部分重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)現(xiàn)象在被子植物基因組中極為普遍[39-40]。薔薇科果樹的LRR-RLK中，梅中發(fā)生部分重復(fù)的基因成員占總數(shù)的16%，梨中多達51%；草莓中發(fā)生串聯(lián)重復(fù)的基因成員占總數(shù)的11.94%，而桃中多達24%[37]。因此，在薔薇科不同果樹間，RLK存在差異較大的基因重復(fù)現(xiàn)象。此外，蘋果RLK中，亞家族WAK-RLK、CrRLK1L、L-LEC、CRK和LysM-RLK發(fā)生串聯(lián)重復(fù)的成員分別占該亞家族總基因的36%、55.22%、56%、68.57%和33%，而亞家族CR4中未發(fā)現(xiàn)串聯(lián)重復(fù)的成員，表明同一果樹RLK不同亞家族之間的基因重復(fù)的頻率存在較大差異[28-30, 32-34]。綜上所述，相同亞家族在薔薇科不同果樹之間、同一果樹的不同亞家族之間都存在差異較大的部分重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)現(xiàn)象，是導(dǎo)致基因數(shù)目迅速變化的重要原因。

4 RLK與果樹發(fā)育

表達分析發(fā)現(xiàn)RLK在薔薇科果樹的多種器官中存在極具多樣化的表達模式，部分RLKs的表達模式具有組織特異性，也有一些成員在多種組織中都有較高的表達量[41-42]。此外，激素在植物細(xì)胞生長和發(fā)育過程中起重要的調(diào)控作用，而大多數(shù)RLKs啟動子區(qū)域存在響應(yīng)激素信號的順式作用元件，也與多種激素受體存在直接的互作關(guān)系[43]。同時，在模式植物中，調(diào)控根、莖、氣孔、葉和花等器官發(fā)育的RLKs被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)[44]。然而，由于遺傳轉(zhuǎn)化難度高等限制因素，關(guān)于RLK調(diào)控薔薇科果樹器官發(fā)育的功能研究仍較少，已有的關(guān)于RLK調(diào)控薔薇科果樹發(fā)育的研究主要集中于根系、花粉管和果實發(fā)育(表1)。

4.1 根系發(fā)育

在模式植物中，已發(fā)現(xiàn)的調(diào)控根系發(fā)育的有LRR-RLK(CLV1、RPK2/TOAD2和BAK1)、CrRLK1L(FER)和WAK-RLK(RHS10)亞家族成員[3, 45]。擬南芥中，部分RLK家族成員參與初生根、側(cè)根和根毛的發(fā)育調(diào)控[46-47]。薔薇科果樹中，已確定調(diào)控根系發(fā)育的RLK主要為LRR-RLK亞家族成員。與野生型相比，MdCEPR1在蘋果愈傷組織和擬南芥過表達株系(細(xì)胞系)中，在低氮條件下的生長速率明顯加快，且氮吸收相關(guān)基因表達顯著上調(diào)，該基因過表達也可刺激側(cè)根的發(fā)育[48]。

4.2 花粉管發(fā)育

植物多個CrRLK1Ls參與花粉管的發(fā)育和對花粉的識別，進而影響到其授粉受精[49]。擬南芥中多個LRR-RLK基因如SUB、SERK1、ERL1和ERL2等調(diào)控花器官的發(fā)育[50-52]。梨CrRLK1L13和CrRLK1L26在花粉管發(fā)育過程中存在較高的表達量，推斷其可能參與調(diào)控花粉管發(fā)育，進一步功能分析表明CrRLK1L26在花粉管伸長過程中起重要作用，而CrRLK1L13參與調(diào)控花粉管開裂[31]。

4.3 果實發(fā)育

果實是果樹生產(chǎn)的經(jīng)濟器官，果實品質(zhì)性狀是果樹的特色性狀[53]。薔薇科果樹中，調(diào)控果實發(fā)育的RLK主要分布于CrRLK1L、LysM-RLK和LRR-RLK亞家族，主要調(diào)控果實成熟速度、果形指數(shù)和內(nèi)在品質(zhì)形成。將蘋果CrRLK1L家族成員MdFERL6和MdFERL1在番茄中過表達后，降低了乙烯的產(chǎn)生量并減緩了果實的成熟速度，并都與乙烯合成酶MdSAMS存在直接的互作關(guān)系，表明其通過抑制果實內(nèi)乙烯的產(chǎn)生而減緩其成熟速度[54]。相似地，草莓CrRLK1L家族成員FaMRLK47通過抑制ABA信號通路基因的表達而負(fù)調(diào)控果實成熟，并與蔗糖的積累呈正相關(guān)關(guān)系[55]。草莓LRR-RLK成員FaRIPK1與ABA受體存在直接的互作關(guān)系，并正調(diào)控果實成熟進程，利用瞬時表達將其在草莓果實中沉默后，減緩了草莓果實的成熟速度[56]。Cao等[57]從‘紅玉’與‘金冠’的雜交群體中篩選了與果形指數(shù)相關(guān)的分子標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)LysM-RLK家族成員MDP0000135244可能與蘋果果形指數(shù)相關(guān)聯(lián)。

5 RLK與果樹非生物抗性

表達分析表明薔薇科果樹大量的RLKs可被非生物脅迫誘導(dǎo)，且啟動子區(qū)域存在大量響應(yīng)低溫、干旱等非生物脅迫信號的順式作用元件(表1)，但在該領(lǐng)域深入的功能分析還很少[27-30]。ABA是重要的非生物逆境響應(yīng)的信號物質(zhì)，在干旱等非生物脅迫下起重要的調(diào)控作用[58]。草莓LRR-RLK與ABA受體存在直接的互作關(guān)系，表明其間接或直接參與薔薇科果樹對非生物逆境的響應(yīng)[56]。與野生型相比，梨Lectin-RLK亞家族成員PcLRLK066在擬南芥中過表達后顯著降低其對鹽脅迫和滲透脅迫的抗性[59]。

6 RLK與果樹抗病性

在植物生長發(fā)育過程中遭受到多種病蟲害的侵襲，因此研究RLK調(diào)控生物抗性也是研究的熱點[60]。作為重要的模式識別受體(PRRs)，RLK識別病原菌分子信號，激發(fā)受體激活的免疫反應(yīng)(PRR triggered immunity，PTI)并在激活免疫反應(yīng)過程中起重要作用[61-63]。發(fā)現(xiàn)的RLK中，幾乎所有的亞家族都存在調(diào)控植物抗性的成員。然而，RLK調(diào)控薔薇科果樹抗性的功能研究還比較少，已發(fā)現(xiàn)調(diào)控生物脅迫抗性的RLK主要分布于LRR-RLK、LysM-RLK、L-LEC-RLK和B-Lectin-RLK亞家族(表1)。

6.1 細(xì)菌性病害

火疫病是毀滅性細(xì)菌性病害，已對全球蘋果和梨產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅。在篩選火疫病抗性基因方面，各國科技工作者投入了大量的精力，發(fā)現(xiàn)參與火疫病抗性調(diào)控的主要為LRR-RLK和B-lectin-RLK亞家族成員?；赒TL定位，確定了蘋果B-lectin-RLK亞家族成員BAC46H22參與了火疫病抗性的調(diào)控[64]?；鹨卟【虏∠嚓P(guān)效應(yīng)子dspA/E與蘋果4個LRR-RLK存在直接的互作關(guān)系，表明蘋果LRR-RLK也參與了蘋果對火疫病菌信號的響應(yīng)[65]。

表1 參與調(diào)控薔薇科果樹生長發(fā)育和抗性的RLKs

6.2 真菌性病害

蘋果等多種薔薇科果樹也遭受真菌性病害的嚴(yán)重威脅，如腐爛病、輪紋病、黑星病、銹病等。已發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)病原真菌信號的RLK主要分布于LRR-RLK、LysM-RLK、L-lectin-RLK等。

LRR-RLK亞家族成員在真菌性病害中的研究較為廣泛，薔薇科果樹LRR-RLK在調(diào)控黑星病抗性的作用也被逐步證實。其中，基于QTL發(fā)現(xiàn)，與黑星病抗性關(guān)聯(lián)的區(qū)域存在該亞家族成員Rvi12_Cd5，表明其參與蘋果對黑星病的抗性[66]。LRR-RLK亞家族成員LRPKm1的表達可被黑星病病原菌和SA誘導(dǎo)，表明其激活的抗性反應(yīng)與SA信號關(guān)聯(lián)[67]。此外，梨LRR-RLK亞家族成員LRPKp負(fù)調(diào)控幸水梨(Kousui)對黑星病的抗性[68]。以上結(jié)果表明，LRR-RLK可能參與薔薇科果樹對黑星病等真菌病害的抗性反應(yīng)，但具體抗性機制仍需進一步深入研究。

作為幾丁質(zhì)受體，植物L(fēng)ysM-RLKs亞家族成員在響應(yīng)多種病原真菌信號中的重要作用已被證實。相似地，蘋果MdCERK1是一種防衛(wèi)響應(yīng)相關(guān)的PRRs，也可識別幾丁質(zhì)和蘋果立枯病病原菌(Rhizoctoniasolani)信號[69]，表明LysM家族成員響應(yīng)植物病原信號的作用機制在植物中相對保守。

L-LEC-RLK是植物中調(diào)控生物抗性一類重要的RLKs，其參與植物對多種病原真菌和細(xì)菌信號的響應(yīng)。梨L-type LecRLK基因PbLRK138在煙草中瞬時表達分析表明其誘導(dǎo)細(xì)胞死亡和抗性基因的表達，表明該基因調(diào)控參與其防衛(wèi)反應(yīng)[70]。

7 展 望

因RLK在植物生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)過程的重要調(diào)控作用，對其功能的研究一直是植物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。近年來，在RLK調(diào)控薔薇科果樹生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)方面進行了大量的研究工作。然而，與模式植物相比，在研究的廣度和深度上都存在較大差距。未來的工作中，可從以下幾個方面開展廣泛深入的研究，以提高工作效率。

7.1 集中于薔薇科果樹的重要性狀和特色性狀

與模式植物相比，發(fā)育階段轉(zhuǎn)換、休眠、自交不親和特性、單性結(jié)實、果實的發(fā)育和品質(zhì)形成、砧木與接穗的相互作用、光合產(chǎn)物的運轉(zhuǎn)及對特異病蟲害(如蘋果樹腐爛病、蘋果輪紋病等枝干性病害)免疫響應(yīng)等是薔薇科果樹的重點和特色領(lǐng)域。在RLK功能研究中，建議將研究集中于以上特色領(lǐng)域，避免與模式植物研究領(lǐng)域的重復(fù)。

7.2 高效、準(zhǔn)確預(yù)測RLK的功能

RLK基因家族成員數(shù)目龐大，高效篩選目標(biāo)基因可極大地提高工作效率。已發(fā)現(xiàn)串聯(lián)重復(fù)的基因多參與了植物對逆境的響應(yīng)，而未發(fā)生重復(fù)的基因成員主要調(diào)控植物生長發(fā)育，表明相似功能的基因可能與一些進化特征相關(guān)聯(lián)。因此，結(jié)合生物信息分析和數(shù)據(jù)驗證，總結(jié)出功能與進化特點的關(guān)聯(lián)性，預(yù)測基因的功能，可降低篩選目標(biāo)基因的工作量。

7.3 充分利用高效的基因功能驗證技術(shù)

薔薇科果樹的遺傳轉(zhuǎn)化效率低、周期長，極大地限制了RLK功能驗證的效率。果實和葉片瞬時表達、愈傷組織遺傳轉(zhuǎn)化等功能驗證的技術(shù)手段周期短、效率高。充分利用以上高效的實驗技術(shù)可縮短RLK功能分析的周期，提高效率。

7.4 研究主效RLKs的誘導(dǎo)方式

多種外源物質(zhì)可增強或抑制植物大量基因的表達。通過候選外源物質(zhì)處理和表達分析研究目標(biāo)基因表達的誘導(dǎo)途徑，可實現(xiàn)對研究成果的快速推廣應(yīng)用。

7.5 基于基因編輯等技術(shù)加速分子育種進程

充分利用基因編輯等現(xiàn)代分子育種技術(shù)，將目標(biāo)基因?qū)胨N薇科果樹，獲得符合食品安全要求的轉(zhuǎn)基因新品種是未來的重要方向之一。而優(yōu)化遺傳轉(zhuǎn)化體系、提高轉(zhuǎn)化效率將加速分子育種的進程，有利于將獲得的目標(biāo)RLK盡快投入生產(chǎn)應(yīng)用。