小麦泛素结合酶基因家族全基因组鉴定及其在抗白粉病中的调控机制研究

本研究针对小麦抗病性调控机制的关键科学问题，系统鉴定了小麦泛素结合酶(UBC)基因家族成员，通过进化分析和功能验证揭示了TaUBC3A-5和TaUBC3B-14在抗白粉病中的相反调控作用。研究人员采用qRT-PCR和病毒诱导基因沉默(VIGS)技术，首次阐明UBC基因通过泛素-蛋白酶体途径参与小麦对Blumeria graminis f. sp. tritici(Bgt)的免疫应答，为小麦抗病育种提供了新靶点。

　　

在农作物病害防治领域，小麦白粉病是由Blumeria graminis f. sp. tritici(Bgt)引起的毁灭性真菌病害，每年造成全球小麦减产10-15%。虽然已知泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system)通过蛋白质降解参与植物免疫，但作为该系统核心组分的泛素结合酶(ubiquitin-conjugating enzyme, UBC)在小麦抗病中的具体机制仍是未解之谜。河南科技学院农业科学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，首次系统揭示了小麦UBC基因家族的进化特征及其在白粉病抗性中的双向调控机制。

研究采用生物信息学结合分子生物学的方法，从小麦基因组中鉴定出180个UBC基因，通过最大似然法构建系统发育树将其分为15个进化分支(Class)。关键实验技术包括：基于国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)数据的全基因组筛选、多序列比对和进化分析、qRT-PCR检测病原胁迫下的表达模式，以及通过病毒诱导基因沉默(VIGS)验证靶基因功能。接种白粉病菌的转录组数据来自抗病小麦品种N9134，功能验证使用感病品种Bainong AK58。

基因组鉴定与进化分析
通过隐马尔可夫模型(HMM)搜索，在六倍体小麦中鉴定出180个UBC基因，远多于拟南芥(48个)和水稻(48个)。染色体定位显示UBC基因在A/B/D亚基因组分布不均，其中3号同源群包含最多成员(46个)。共鉴定111对片段重复基因和7对串联重复基因，Ka/Ks分析表明这些复制基因均经历纯化选择。

表达模式分析
qRT-PCR显示TaUBC1A-5、TaUBC3A-5等7个基因在白粉病菌侵染后表达显著变化。其中TaUBC3A-5在接种3小时后表达量激增7.13倍，而TaUBC3B-14上调达8.08倍。相比之下，这些基因对赤霉病菌(Fusarium graminearum)的响应较弱，暗示UBC基因可能优先参与白粉病防御。

功能验证
VIGS实验证明：沉默TaUBC3A-5(Class 3)使小麦对Bgt更敏感，而沉默TaUBC3B-14(Class 5)则增强抗性。三级结构预测显示，这两个蛋白的活性位点分别位于N端和C端α螺旋，可能通过结合不同底物产生相反功能。值得注意的是，TaUBC3A-5与已报道的负调控叶枯病抗性的TaU4为同一基因，表明其功能具有病原特异性。

该研究首次绘制了小麦UBC基因家族的全景图谱，揭示TaUBC3A-5和TaUBC3B-14通过泛素化途径分别正向和负向调控白粉病抗性。这一发现不仅丰富了植物免疫调控的理论基础，更重要的是为小麦抗病育种提供了可操作的分子靶标——通过编辑TaUBC3B-14或过表达TaUBC3A-5，有望培育出兼具广谱抗病性和农艺性状的优良品种。研究采用的跨组学分析策略也为其他作物抗病基因挖掘提供了范式参考。