蔷薇科果树类受体激酶的研究进展

2021-11-10左存武陈佰鸿

西北植物学报 2021年10期

左存武，高博，赵丹，朵虎，陈佰鸿*

(1 甘肃农业大学园艺学院，兰州 730070；2 兰州新区现代农业投资集团有限公司，兰州 730300)

类受体激酶(Receptor-Like Kinase，RLK)位于细胞膜，是细胞识别外界信息的重要渠道，被誉为植物生长发育和环境适应的“中央处理器”[1]。因其功能的重要性，在拟南芥等模式植物中对RLK进行了广泛深入的研究。在生长发育方面，部分成员对茎[2]、根毛[3]、种子[4]和花粉管[5]等多个器官发育的调控作用被陆续证实。在环境适应方面，已陆续发现能够识别来自非生物逆境(如干旱、低温、盐胁迫等)和生物逆境(病原细菌、真菌和病毒等)的信号并激活抗性反应的RLK家族成员[6-11]。

蔷薇科植物包括了苹果、梨、桃、樱桃、榅桲、杏、李、覆盆子和枇杷等多种具有重要经济价值的果树[12]。其中，苹果、梨、桃、草莓、杏等栽培品种和山荆子、杜梨等重要砧木的基因组已陆续公布，为后续功能基因组研究提供了重要支撑(https://www.rosaceae.org/)。近年来，蔷薇科果树RLK在基因组范围的鉴定等工作已陆续开展，也有部分研究涉及其调控功能和调控机制，并已取得阶段性进展。然而，与模式植物相比，RLK在蔷薇科果树方面的研究还存在较大差距。本研究总结了植物RLK在蔷薇科果树中的研究进展，并提出了建议的重点研究方向，以期为后续工作的开展提供参考。

1 植物类受体激酶基因(RLKs)

RLK基因是被子植物基因组中最为重要的基因家族之一，在拟南芥、水稻、杨树、大豆、棉花等多种植物中被陆续鉴定，存在多达500～1 400个成员[13-19]。典型的RLK蛋白由N-末端胞外结构域(extracellular domain，ECD)、跨膜区(transmembrane region，TM)和C-末端胞内激酶结构域(kinase domain，KD)组成[13]。ECD类型较多，如leucine-rich repeat(LRR)、legume lectin(L-LEC)、epidermal growth factor(EGF)、lysin motif(LysM)、Cysteine-rich repeat和Malectin等[20]。根据KD序列的多样性，可将RLK分为至少60个亚家族[20]。多数亚家族具有相同或相似的ECD组成，如LRR-RLK亚家族几乎所有成员都包括至少一个LRR结构域。作为膜蛋白，RLK通过ECD识别胞外信号、经TM将其传递至KD，并激活下游胞内的分子响应网络[21-24]。也有部分RLKs缺少ECD，其通过与其他膜蛋白互作，进而调控细胞代谢[23]。

RLK在植物中存在较快的进化速率。与动物相比，植物基因组中RLK数目存在大量的扩增现象。动物、囊泡虫类等生物中仅存在不足10个RLKs，但被子植物中存在多达600个以上[23]。此外，不同植物类型中RLK数目也存在较大差异，如拟南芥中约600个成员，而水稻中多达约1100个[13]。同一植物的不同RLK亚家族及同一亚家族在不同植物之间，扩增速率都存在较大差异。如LRR-XIV和LRR-XIIa在被子植物中的总体扩增速率高达3，而LRR-II和LRR-III仅为1.22；LRR-XIIb在杨树中的扩增速率高达12，而在植物中的总体扩增速率仅为1.5[25]。基因重复主要由串联重复和部分重复组成，是导致植物中RLK家族成员扩增的主要原因。RLK中串联重复的多个成员参与植物对逆境信号的响应，而未发生基因重复的亚家族主要参与细胞生长发育[26]。

2 蔷薇科果树RLKs鉴定

随着果树基因组序列的逐步完善，为RLK在全基因组范围的鉴定奠定了基础。目前，已对草莓RLK基因进行了系统鉴定，获得639个RLKs[27]。作者对苹果、梨、桃、杏等9种蔷薇科植物的RLKs进行了鉴定，发现其RLK家族成员数目介于550～1 100个之间(数据未发表)。此外，也有大量工作对各亚家族成员进行了基因组范围的鉴定，如蔷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)、苹果细胞壁相关RLK(wall-associated RLK，WAK-RLK)、CrRLK1L、CRK、L-LEC-RLK、LysM-RLK、CR4、梨CrRLK1L和CRK等[28-37]。多数植物中，LRR-RLK家族成员数目最多，模式植物拟南芥中存在225个该家族成员，而蔷薇科果树苹果、梨、草莓、梅和桃中分别存在244、427、201、267和258个成员[37]。此外，朵虎等对51种植物Gly-RLK鉴定发现，葡萄、桃和苹果基因分别存在2、4和6个成员，芸香科果树甜橙和柑橘中分别存在2和7个成员，但单子叶植物和部分双子叶植物中不存在该亚家族成员[29]。综上，果树基因组中存在数目庞大的RLK基因家族成员，不同果树间RLK家族和亚家族成员数目都存在较大差异。

3 果树RLKs的进化特征

与其他植物相比，被子植物的基因组存在较快的进化速率和复杂的进化特征，基因重复是导致该现象发生的重要原因之一[38]。其中，部分重复和串联重复现象在被子植物基因组中极为普遍[39-40]。蔷薇科果树的LRR-RLK中，梅中发生部分重复的基因成员占总数的16%，梨中多达51%；草莓中发生串联重复的基因成员占总数的11.94%，而桃中多达24%[37]。因此，在蔷薇科不同果树间，RLK存在差异较大的基因重复现象。此外，苹果RLK中，亚家族WAK-RLK、CrRLK1L、L-LEC、CRK和LysM-RLK发生串联重复的成员分别占该亚家族总基因的36%、55.22%、56%、68.57%和33%，而亚家族CR4中未发现串联重复的成员，表明同一果树RLK不同亚家族之间的基因重复的频率存在较大差异[28-30, 32-34]。综上所述，相同亚家族在蔷薇科不同果树之间、同一果树的不同亚家族之间都存在差异较大的部分重复和串联重复现象，是导致基因数目迅速变化的重要原因。

4 RLK与果树发育

表达分析发现RLK在蔷薇科果树的多种器官中存在极具多样化的表达模式，部分RLKs的表达模式具有组织特异性，也有一些成员在多种组织中都有较高的表达量[41-42]。此外，激素在植物细胞生长和发育过程中起重要的调控作用，而大多数RLKs启动子区域存在响应激素信号的顺式作用元件，也与多种激素受体存在直接的互作关系[43]。同时，在模式植物中，调控根、茎、气孔、叶和花等器官发育的RLKs被陆续发现[44]。然而，由于遗传转化难度高等限制因素，关于RLK调控蔷薇科果树器官发育的功能研究仍较少，已有的关于RLK调控蔷薇科果树发育的研究主要集中于根系、花粉管和果实发育(表1)。

4.1 根系发育

在模式植物中，已发现的调控根系发育的有LRR-RLK(CLV1、RPK2/TOAD2和BAK1)、CrRLK1L(FER)和WAK-RLK(RHS10)亚家族成员[3, 45]。拟南芥中，部分RLK家族成员参与初生根、侧根和根毛的发育调控[46-47]。蔷薇科果树中，已确定调控根系发育的RLK主要为LRR-RLK亚家族成员。与野生型相比，MdCEPR1在苹果愈伤组织和拟南芥过表达株系(细胞系)中，在低氮条件下的生长速率明显加快，且氮吸收相关基因表达显著上调，该基因过表达也可刺激侧根的发育[48]。

4.2 花粉管发育

植物多个CrRLK1Ls参与花粉管的发育和对花粉的识别，进而影响到其授粉受精[49]。拟南芥中多个LRR-RLK基因如SUB、SERK1、ERL1和ERL2等调控花器官的发育[50-52]。梨CrRLK1L13和CrRLK1L26在花粉管发育过程中存在较高的表达量，推断其可能参与调控花粉管发育，进一步功能分析表明CrRLK1L26在花粉管伸长过程中起重要作用，而CrRLK1L13参与调控花粉管开裂[31]。

4.3 果实发育

果实是果树生产的经济器官，果实品质性状是果树的特色性状[53]。蔷薇科果树中，调控果实发育的RLK主要分布于CrRLK1L、LysM-RLK和LRR-RLK亚家族，主要调控果实成熟速度、果形指数和内在品质形成。将苹果CrRLK1L家族成员MdFERL6和MdFERL1在番茄中过表达后，降低了乙烯的产生量并减缓了果实的成熟速度，并都与乙烯合成酶MdSAMS存在直接的互作关系，表明其通过抑制果实内乙烯的产生而减缓其成熟速度[54]。相似地，草莓CrRLK1L家族成员FaMRLK47通过抑制ABA信号通路基因的表达而负调控果实成熟，并与蔗糖的积累呈正相关关系[55]。草莓LRR-RLK成员FaRIPK1与ABA受体存在直接的互作关系，并正调控果实成熟进程，利用瞬时表达将其在草莓果实中沉默后，减缓了草莓果实的成熟速度[56]。Cao等[57]从‘红玉’与‘金冠’的杂交群体中筛选了与果形指数相关的分子标记，发现LysM-RLK家族成员MDP0000135244可能与苹果果形指数相关联。

5 RLK与果树非生物抗性

表达分析表明蔷薇科果树大量的RLKs可被非生物胁迫诱导，且启动子区域存在大量响应低温、干旱等非生物胁迫信号的顺式作用元件(表1)，但在该领域深入的功能分析还很少[27-30]。ABA是重要的非生物逆境响应的信号物质，在干旱等非生物胁迫下起重要的调控作用[58]。草莓LRR-RLK与ABA受体存在直接的互作关系，表明其间接或直接参与蔷薇科果树对非生物逆境的响应[56]。与野生型相比，梨Lectin-RLK亚家族成员PcLRLK066在拟南芥中过表达后显著降低其对盐胁迫和渗透胁迫的抗性[59]。

6 RLK与果树抗病性

在植物生长发育过程中遭受到多种病虫害的侵袭，因此研究RLK调控生物抗性也是研究的热点[60]。作为重要的模式识别受体(PRRs)，RLK识别病原菌分子信号，激发受体激活的免疫反应(PRR triggered immunity，PTI)并在激活免疫反应过程中起重要作用[61-63]。发现的RLK中，几乎所有的亚家族都存在调控植物抗性的成员。然而，RLK调控蔷薇科果树抗性的功能研究还比较少，已发现调控生物胁迫抗性的RLK主要分布于LRR-RLK、LysM-RLK、L-LEC-RLK和B-Lectin-RLK亚家族(表1)。

6.1 细菌性病害

火疫病是毁灭性细菌性病害，已对全球苹果和梨产业健康发展造成了严重的威胁。在筛选火疫病抗性基因方面，各国科技工作者投入了大量的精力，发现参与火疫病抗性调控的主要为LRR-RLK和B-lectin-RLK亚家族成员。基于QTL定位，确定了苹果B-lectin-RLK亚家族成员BAC46H22参与了火疫病抗性的调控[64]。火疫病菌致病相关效应子dspA/E与苹果4个LRR-RLK存在直接的互作关系，表明苹果LRR-RLK也参与了苹果对火疫病菌信号的响应[65]。

表1 参与调控蔷薇科果树生长发育和抗性的RLKs

6.2 真菌性病害

苹果等多种蔷薇科果树也遭受真菌性病害的严重威胁，如腐烂病、轮纹病、黑星病、锈病等。已发现的响应病原真菌信号的RLK主要分布于LRR-RLK、LysM-RLK、L-lectin-RLK等。

LRR-RLK亚家族成员在真菌性病害中的研究较为广泛，蔷薇科果树LRR-RLK在调控黑星病抗性的作用也被逐步证实。其中，基于QTL发现，与黑星病抗性关联的区域存在该亚家族成员Rvi12_Cd5，表明其参与苹果对黑星病的抗性[66]。LRR-RLK亚家族成员LRPKm1的表达可被黑星病病原菌和SA诱导，表明其激活的抗性反应与SA信号关联[67]。此外，梨LRR-RLK亚家族成员LRPKp负调控幸水梨(Kousui)对黑星病的抗性[68]。以上结果表明，LRR-RLK可能参与蔷薇科果树对黑星病等真菌病害的抗性反应，但具体抗性机制仍需进一步深入研究。

作为几丁质受体，植物LysM-RLKs亚家族成员在响应多种病原真菌信号中的重要作用已被证实。相似地，苹果MdCERK1是一种防卫响应相关的PRRs，也可识别几丁质和苹果立枯病病原菌(Rhizoctoniasolani)信号[69]，表明LysM家族成员响应植物病原信号的作用机制在植物中相对保守。

L-LEC-RLK是植物中调控生物抗性一类重要的RLKs，其参与植物对多种病原真菌和细菌信号的响应。梨L-type LecRLK基因PbLRK138在烟草中瞬时表达分析表明其诱导细胞死亡和抗性基因的表达，表明该基因调控参与其防卫反应[70]。

7 展望

因RLK在植物生长发育和环境适应过程的重要调控作用，对其功能的研究一直是植物学领域研究的热点之一。近年来，在RLK调控蔷薇科果树生长发育和环境适应方面进行了大量的研究工作。然而，与模式植物相比，在研究的广度和深度上都存在较大差距。未来的工作中，可从以下几个方面开展广泛深入的研究，以提高工作效率。

7.1 集中于蔷薇科果树的重要性状和特色性状

与模式植物相比，发育阶段转换、休眠、自交不亲和特性、单性结实、果实的发育和品质形成、砧木与接穗的相互作用、光合产物的运转及对特异病虫害(如苹果树腐烂病、苹果轮纹病等枝干性病害)免疫响应等是蔷薇科果树的重点和特色领域。在RLK功能研究中，建议将研究集中于以上特色领域，避免与模式植物研究领域的重复。

7.2 高效、准确预测RLK的功能

RLK基因家族成员数目庞大，高效筛选目标基因可极大地提高工作效率。已发现串联重复的基因多参与了植物对逆境的响应，而未发生重复的基因成员主要调控植物生长发育，表明相似功能的基因可能与一些进化特征相关联。因此，结合生物信息分析和数据验证，总结出功能与进化特点的关联性，预测基因的功能，可降低筛选目标基因的工作量。