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歷時(shí)10余年成果發(fā)布:《自然·遺傳學(xué)》發(fā)表農(nóng)學(xué)院徐明良團(tuán)隊(duì)玉米廣譜數(shù)量抗性分子機(jī)制

2024-11-11      來(lái)源:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)    
 
內(nèi)容摘要:中國(guó)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T(mén)he 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(duì)植物在自然條件下應(yīng)對(duì)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
   中國(guó)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T(mén)he 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(duì)植物在自然條件下應(yīng)對(duì)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(guó)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(zhǎng)過(guò)程中面臨諸多病原菌造成的病害問(wèn)題?;野卟 ⒋蟀卟『托“卟∈侨N嚴(yán)重的玉米葉部病害,對(duì)玉米產(chǎn)量造成極大威脅。在我國(guó)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(lái),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(huì)同時(shí)發(fā)生,而玉米同時(shí)應(yīng)對(duì)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(hào)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(duì)灰斑病具有抗性,同時(shí)對(duì)大斑病和小斑病也展現(xiàn)出一定的抗性。經(jīng)過(guò)多年的精細(xì)定位,該位點(diǎn)被限定在78kb的范圍內(nèi)。通過(guò)功能互補(bǔ)、RNA干擾、基因編輯和過(guò)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(guò)生化實(shí)驗(yàn)證明,ZmCPK39通過(guò)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(gè)磷酸化修飾位點(diǎn),并通過(guò)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(duì)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(gè)候選靶標(biāo)基因。通過(guò)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guó)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(jí)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(guó)北卡州立大學(xué)Peter Balint-Kurti提供了寶貴的意見(jiàn)和見(jiàn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。
 
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