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 甘肅農業大學 園藝學院，蘭州 730070；2 蘭州新區現代農業投資集團有限公司，蘭州 730300)

類受體激酶(Receptor-Like Kinase，RLK)位于細胞膜，是細胞識別外界信息的重要渠道，被譽為植物生長發育和環境適應的“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]等多個器官發育的調控作用被陸續證實。在環境適應方面，已陸續發現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(病原細菌、真菌和病毒等)的信號并激活抗性反應的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公布，為后續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開展，也有部分研究涉及其調控功能和調控機制，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-末端胞外結構域(extracellular domain，ECD)、跨膜區(transmembrane region，TM)和C-末端胞內激酶結構域(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KD序列的多樣性，可將RLK分為至少60個亞家族[20]。多數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結構域。作為膜蛋白，RLK通過ECD識別胞外信號、經TM將其傳遞至KD，并激活下游胞內的分子響應網絡[21-24]。也有部分RLKs缺少ECD，其通過與其他膜蛋白互作，進而調控細胞代謝[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數目存在大量的擴增現象。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]。基因重復主要由串聯重復和部分重復組成，是導致植物中RLK家族成員擴增的主要原因。RLK中串聯重復的多個成員參與植物對逆境信號的響應，而未發生基因重復的亞家族主要參與細胞生長發育[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。目前，已對草莓RLK基因進行了系統鑒定，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，發現其RLK家族成員數目介于550～1 100個之間(數據未發表)。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)、蘋果細胞壁相關RLK(wall-associated RLK，WAK-RLK)、CrRLK1L、CRK、L-LEC-RLK、LysM-RLK、CR4、梨CrRLK1L和CRK等[28-37]。多數植物中，LRR-RLK家族成員數目最多，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鑒定發現，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雜的進化特征，基因重復是導致該現象發生的重要原因之一[38]。其中，部分重復和串聯重復現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，梅中發生部分重復的基因成員占總數的16%，梨中多達51%；草莓中發生串聯重復的基因成員占總數的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現象。此外，蘋果RLK中，亞家族WAK-RLK、CrRLK1L、L-LEC、CRK和LysM-RLK發生串聯重復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中未發現串聯重復的成員，表明同一果樹RLK不同亞家族之間的基因重復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和串聯重復現象，是導致基因數目迅速變化的重要原因。

4 RLK與果樹發育

表達分析發現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，激素在植物細胞生長和發育過程中起重要的調控作用，而大多數RLKs啟動子區域存在響應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系[43]。同時，在模式植物中，調控根、莖、氣孔、葉和花等器官發育的RLKs被陸續發現[44]。然而，由于遺傳轉化難度高等限制因素，關于RLK調控薔薇科果樹器官發育的功能研究仍較少，已有的關于RLK調控薔薇科果樹發育的研究主要集中于根系、花粉管和果實發育(表1)。

4.1 根系發育

在模式植物中，已發現的調控根系發育的有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、側根和根毛的發育調控[46-47]。薔薇科果樹中，已確定調控根系發育的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(細胞系)中，在低氮條件下的生長速率明顯加快，且氮吸收相關基因表達顯著上調，該基因過表達也可刺激側根的發育[48]。

4.2 花粉管發育

植物多個CrRLK1Ls參與花粉管的發育和對花粉的識別，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等調控花器官的發育[50-52]。梨CrRLK1L13和CrRLK1L26在花粉管發育過程中存在較高的表達量，推斷其可能參與調控花粉管發育，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CrRLK1L13參與調控花粉管開裂[31]。

4.3 果實發育

果實是果樹生產的經濟器官，果實品質性狀是果樹的特色性狀[53]。薔薇科果樹中，調控果實發育的RLK主要分布于CrRLK1L、LysM-RLK和LRR-RLK亞家族，主要調控果實成熟速度、果形指數和內在品質形成。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存在直接的互作關系，表明其通過抑制果實內乙烯的產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調控果實成熟，并與蔗糖的積累呈正相關關系[55]。草莓LRR-RLK成員FaRIPK1與ABA受體存在直接的互作關系，并正調控果實成熟進程，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相關的分子標記，發現LysM-RLK家族成員MDP0000135244可能與蘋果果形指數相關聯。

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，且啟動子區域存在大量響應低溫、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的信號物質，在干旱等非生物脅迫下起重要的調控作用[58]。草莓LRR-RLK與ABA受體存在直接的互作關系，表明其間接或直接參與薔薇科果樹對非生物逆境的響應[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

在植物生長發育過程中遭受到多種病蟲害的侵襲，因此研究RLK調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，激發受體激活的免疫反應(PRR triggered immunity，PTI)并在激活免疫反應過程中起重要作用[61-63]。發現的RLK中，幾乎所有的亞家族都存在調控植物抗性的成員。然而，RLK調控薔薇科果樹抗性的功能研究還比較少，已發現調控生物脅迫抗性的RLK主要分布于LRR-RLK、LysM-RLK、L-LEC-RLK和B-Lectin-RLK亞家族(表1)。

6.1 細菌性病害

火疫病是毀滅性細菌性病害，已對全球蘋果和梨產業健康發展造成了嚴重的威脅。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，發現參與火疫病抗性調控的主要為LRR-RLK和B-lectin-RLK亞家族成員。基于QTL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控[64]。火疫病菌致病相關效應子dspA/E與蘋果4個LRR-RLK存在直接的互作關系，表明蘋果LRR-RLK也參與了蘋果對火疫病菌信號的響應[65]。

表1 參與調控薔薇科果樹生長發育和抗性的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重威脅，如腐爛病、輪紋病、黑星病、銹病等。已發現的響應病原真菌信號的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在調控黑星病抗性的作用也被逐步證實。其中，基于QTL發現，與黑星病抗性關聯的區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，表明其激活的抗性反應與SA信號關聯[67]。此外，梨LRR-RLK亞家族成員LRPKp負調控幸水梨(Kousui)對黑星病的抗性[68]。以上結果表明，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，但具體抗性機制仍需進一步深入研究。

作為幾丁質受體，植物LysM-RLKs亞家族成員在響應多種病原真菌信號中的重要作用已被證實。相似地，蘋果MdCERK1是一種防衛響應相關的PRRs，也可識別幾丁質和蘋果立枯病病原菌(Rhizoctoniasolani)信號[69]，表明LysM家族成員響應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菌信號的響應。梨L-type LecRLK基因PbLRK138在煙草中瞬時表達分析表明其誘導細胞死亡和抗性基因的表達，表明該基因調控參與其防衛反應[70]。

7 展 望

因RLK在植物生長發育和環境適應過程的重要調控作用，對其功能的研究一直是植物學領域研究的熱點之一。近年來，在RLK調控薔薇科果樹生長發育和環境適應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，發育階段轉換、休眠、自交不親和特性、單性結實、果實的發育和品質形成、砧木與接穗的相互作用、光合產物的運轉及對特異病蟲害(如蘋果樹腐爛病、蘋果輪紋病等枝干性病害)免疫響應等是薔薇科果樹的重點和特色領域。在RLK功能研究中，建議將研究集中于以上特色領域，避免與模式植物研究領域的重復。

7.2 高效、準確預測RLK的功能

RLK基因家族成員數目龐大，高效篩選目標基因可極大地提高工作效率。已發現串聯重復的基因多參與了植物對逆境的響應，而未發生重復的基因成員主要調控植物生長發育，表明相似功能的基因可能與一些進化特征相關聯。因此，結合生物信息分析和數據驗證，總結出功能與進化特點的關聯性，預測基因的功能，可降低篩選目標基因的工作量。

7.3 充分利用高效的基因功能驗證技術

薔薇科果樹的遺傳轉化效率低、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、愈傷組織遺傳轉化等功能驗證的技術手段周期短、效率高。充分利用以上高效的實驗技術可縮短RLK功能分析的周期，提高效率。

7.4 研究主效RLKs的誘導方式

多種外源物質可增強或抑制植物大量基因的表達。通過候選外源物質處理和表達分析研究目標基因表達的誘導途徑，可實現對研究成果的快速推廣應用。

7.5 基于基因編輯等技術加速分子育種進程

充分利用基因編輯等現代分子育種技術，將目標基因導入薔薇科果樹，獲得符合食品安全要求的轉基因新品種是未來的重要方向之一。而優化遺傳轉化體系、提高轉化效率將加速分子育種的進程，有利于將獲得的目標RLK盡快投入生產應用。