中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 11月4日，農(nóng)學(xué)院徐明良課題組在《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上在線發(fā)表了題為The ZmCPK39-ZmDi19-ZmPR10 immune module regulates quantitative resistance to multiple foliar diseases in maize 的研究論文。該研究歷經(jīng)十余載，詳細(xì)闡述了廣譜數(shù)量抗病基因的克隆和抗病分子機(jī)制。這一成果極大豐富了人們對植物在自然條件下應(yīng)對多種病原菌的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制的了解，同時(shí)為抗病分子育種提供了重要的基因資源。

 

　　此外，Nature Genetics 同期還發(fā)表了該項(xiàng)工作的“Research Briefing”：The kinase ZmCPK39 regulates foliar diseases resistance in maize plants。

 

　　玉米是我國第一大糧食作物，在糧食安全戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用。然而，玉米在生長過程中面臨諸多病原菌造成的病害問題?；野卟　⒋蟀卟『托“卟∈侨N嚴(yán)重的玉米葉部病害，對玉米產(chǎn)量造成極大威脅。在我國西南和東北玉米產(chǎn)區(qū)，灰斑病和大斑病普遍發(fā)生，是最為嚴(yán)重的葉部病害。近年來，在黃淮海和華北玉米產(chǎn)區(qū)的小斑病發(fā)生逐年加重。在自然環(huán)境條件下，玉米不同病害往往會同時(shí)發(fā)生，而玉米同時(shí)應(yīng)對多種病害的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制尚未明確。

 

　　在之前的研究中，該團(tuán)隊(duì)在玉米第五號染色體上鑒定到主效抗灰斑病位點(diǎn)qRgls2 。在后續(xù)的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)不僅對灰斑病具有抗性，同時(shí)對大斑病和小斑病也展現(xiàn)出一定的抗性。經(jīng)過多年的精細(xì)定位，該位點(diǎn)被限定在78kb的范圍內(nèi)。通過功能互補(bǔ)、RNA干擾、基因編輯和過表達(dá)等一系列轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了編碼鈣依賴蛋白激酶的基因ZmCPK39 是該位點(diǎn)抗多種葉部病害的功能基因。

 

　　為了解析ZmCPK39的抗病分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用酵母雙雜交篩選到ZmCPK39的底物蛋白ZmDi19。蛋白互作驗(yàn)證結(jié)果表明，ZmCPK39與ZmDi19在細(xì)胞膜相互作用。利用轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了ZmDi19正調(diào)控灰斑病、大斑病和小斑病抗性。

 

　　ZmCPK39負(fù)調(diào)控抗病性，而ZmDi19正調(diào)控抗病性，為了解析二者的相互作用關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)首先通過生化實(shí)驗(yàn)證明，ZmCPK39通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控ZmDi19的蛋白穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， ZmCPK39能夠磷酸化修飾ZmDi19。利用質(zhì)譜分析，團(tuán)隊(duì)鑒定到六個磷酸化修飾位點(diǎn)，并通過點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZmDi19蛋白第117位Ser的磷酸化狀態(tài)對其蛋白穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

 

　　為了明確轉(zhuǎn)錄因子ZmDi19調(diào)控的下游靶標(biāo)基因，研究團(tuán)隊(duì)利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白組學(xué)分析，初步確定了八個候選靶標(biāo)基因。通過酵母單雜交技術(shù)，證實(shí)ZmDi19可以結(jié)合編碼病情相關(guān)蛋白的基因ZmPR10的啟動子。利用表達(dá)調(diào)控實(shí)驗(yàn)，最終確定了ZmDi9正調(diào)控ZmPR10基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)和病原菌生長抑制實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，ZmPR10蛋白能夠抑制病原菌的生長和入侵，從而正調(diào)控玉米的抗病性。

 

　　基于以上研究結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了ZmCPK39介導(dǎo)的玉米廣譜數(shù)量抗性工作模型。在抗病自交系中，病原菌誘導(dǎo)ZmCPK39低表達(dá)，減緩了ZmCPK39對ZmDi19的磷酸化和降解作用，使得ZmDi19大量富集并促進(jìn)病情相關(guān)蛋白ZmPR10的表達(dá)，從而表現(xiàn)出廣譜抗病。而在感病自交系中，病原菌誘導(dǎo)ZmCPK39高表達(dá)，促進(jìn)ZmCPK39對ZmDi19的磷酸化和降解，ZmDi19的減少導(dǎo)致ZmPR10表達(dá)降低，從而使植物感病。

 

　　農(nóng)學(xué)院徐明良課題組博士后朱芒為第一作者，徐明良教授為通訊作者。課題組鐘濤博士（現(xiàn)為北卡州立大學(xué)博士后）和博士生郭晨煜、張曉輝、劉玉琳提供了大量的支持；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院徐凌教授和吉林省農(nóng)科院張艷研究員為本項(xiàng)目的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；云南省農(nóng)科院番興明研究員、蔣輔燕博士，以及保山市農(nóng)科院高級農(nóng)藝師李琰聰、謝志堅(jiān)、劉婷婷提供了試驗(yàn)材料和田間管理；美國北卡州立大學(xué)Peter Balint-Kurti提供了寶貴的意見和見解。此外，遼寧省農(nóng)科院 姜敏 研究員和西北農(nóng)林科技大學(xué)楊琴教授在田間大斑病和小斑病接種鑒定方面提供了重要的幫助。該研究得到農(nóng)業(yè)生物育種重大項(xiàng)目2030、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的資助。