中國農大新聞網訊 9月19日，中國農業大學植物保護學院朱旺升團隊在細胞出版社（Cell Press）旗下期刊《分子植物》（Molecular Plant） 在線發表了題為“Natural variations of maize ZmLecRK1 determine its interaction with ZmBAK1 and resistance patterns to multiple pathogens”的研究論文。該研究基于玉米全基因組關聯分析獲得貢獻玉米腐霉莖腐病、紋枯病和小斑病抗性的廣譜抗病基因ZmLecRK1。ZmLecRK1編碼的凝集素類受體激酶，與共受體ZmBAK1形成復合體介導免疫信號傳遞，并鑒定了抗感單倍型的關鍵氨基酸變異A404S，發現在玉米祖先種大芻草和其他禾本科植物中，該位點均為感病單倍型S404，而抗病單倍型A404僅存在于部分玉米自交系中，為通過單堿基編輯創制抗病作物提供了理論基礎。
玉米是我國主要糧飼油兼用作物，但是在生長過程中往往同時受到多種病原菌侵染，如腐霉菌和鐮刀菌單獨或復合侵染導致玉米莖腐病；立枯絲核菌侵染導致玉米紋枯病；玉蜀黍平臍蠕孢菌侵染導致玉米小斑病等導致品質及產量嚴重下降。因此，挖掘新的廣譜抗病基因并解析其分子功能對抗病育種和品種遺傳改良是至關重要的。
課題組之前通過全基因組關聯分析定位到參與瓜果腐霉菌抗性的β-葡萄糖苷酶編碼基因ZmBGLU17（Liu et al., PBJ, 2024）以及G型凝集素類受體激酶編碼基因ZmLecRK1。zmlecrk1突變體材料在田間對瓜果腐霉抗性明顯減弱，同時發現zmlecrk1對莖部病害紋枯病和葉部病害小斑病抗性明顯減弱，表明ZmLecRK1是潛在的廣譜抗病基因。單倍型分析發現ZmLecRK1存在以ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4為代表的抗感單倍型，其序列差異全部集中在ZmLecRK1的胞外結構域。在玉米、煙草和擬南芥三種體系中均發現ZmLecRK1Qi319能觸發細胞死亡，而ZmLecRK1TY4則不能引起明顯變化，暗示ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4具有不同的生物學功能。轉錄組分析表明ZmLecRK1可能介導了細胞壁相關組分的合成相關基因的表達，進而貢獻多種病原菌抗性。
模式識別受體通常和共受體形成復合體激活免疫反應，但是G型LecRKs與共受體激酶如何激活下游免疫信號還未有人報道。作者通過IP-MS篩選到ZmLecRK1互作蛋白ZmBAK1，在zmbak1敲除轉基因玉米中ZmLecRK1Qi319不能觸發的細胞死亡，同時田間試驗發現zmbak1對腐霉莖腐病、紋枯病及小斑病抗病性明顯減弱。通過生化實驗表明ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作強度高于ZmLecRK1TY4與ZmBAK1，且ZmBAK1特異性增強ZmLecRK1Qi319自身互作強度，BN-PAGE實驗表明ZmLecRK1Qi319形成復合體能力遠強于ZmLecRK1TY4，并發現病原菌和真菌幾丁質處理能顯著增強ZmLecRK1和ZmBAK1的互作強度。
作者進一步探究了貢獻ZmLecRK1抗感單倍型的關鍵自然變異位點。結構域和點突變實驗發現PAN結構域的S404A自然變異是決定ZmLecRK1抗感基因型差異的主要位點。并發現A404S突變能夠顯著降低ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作能力以及ZmLecRK1Qi319形成復合物的能力。序列分析發現玉米祖先種大芻草和大多數獲得的禾本科植物均編碼感病單倍型S404，而具有A404的抗病單倍型僅存在于少數玉米自交系中。進一步突變體分析表明高粱和水稻中ZmLecRK1同源蛋白的S突變為A后能顯著增強其誘導免疫反應的能力。
綜上，該研究鑒定了一個玉米廣譜抗病基因ZmLecRK1，其編碼蛋白與共受體ZmBAK1形成復合體促發下游免疫反應，并且鑒定了決定該抗病基因功能的自然變異位點，該位點可以影響ZmLecRK1與共受體ZmBAK1形成復合體的能力，為通過堿基編輯精確靶標該位點來調節ZmLecRK1及其同源蛋白的功能培育作物抗病品種提供了重要理論基礎。
中國農業大學植物保護學院博士生李振菊、陳俊斌博士和劉闖博士為論文共同第一作者，玉米生物育種全國重點實驗室/中國農業大學植物保護學院朱旺升教授為通訊作者。課題組博士畢業生王明玉博士（現浙江省農業科學院植物保護與微生物研究所副研究員）、課題組程文鈺和劉琿、崖州灣國家實驗室王磊博士、中國農業大學植物保護學院Vijai Bhadauria教授、王世維博士、彭友良教授和中國農業大學玉米中心楊小紅教授、徐明良教授等人參與了該工作。感謝馬普生物研究所（圖賓根）Detlef Weigel教授、華中農業大學李博教授、華南農業大學梁祥修教授、中國農業大學畢國志教授、徐光遠副教授、徐寧副教授、張鑫副教授和三位審稿人提供的寶貴建議。感謝南京農業大學竇道龍教授提供的Pythium aphanidermatum菌株和煙草VIGS載體、中國農大陳旭君教授提供的Rhizoctonia solani菌株、中國農業科學院劉文德研究員提供的Bipolaris maydis菌株、段燦星研究員提供的Fusarium graminearum菌株、山東大學王官峰教授提供的Rp1-D21載體和中國農大于菲菲教授提供的高粱基因組DNA。該研究得到了生物育種-國家科技重大專項、國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金和拼多多-中國農業大學科研基金的資助。
日期：2024-11-11
玉米是我國主要糧飼油兼用作物，但是在生長過程中往往同時受到多種病原菌侵染，如腐霉菌和鐮刀菌單獨或復合侵染導致玉米莖腐病；立枯絲核菌侵染導致玉米紋枯病；玉蜀黍平臍蠕孢菌侵染導致玉米小斑病等導致品質及產量嚴重下降。因此，挖掘新的廣譜抗病基因并解析其分子功能對抗病育種和品種遺傳改良是至關重要的。
課題組之前通過全基因組關聯分析定位到參與瓜果腐霉菌抗性的β-葡萄糖苷酶編碼基因ZmBGLU17（Liu et al., PBJ, 2024）以及G型凝集素類受體激酶編碼基因ZmLecRK1。zmlecrk1突變體材料在田間對瓜果腐霉抗性明顯減弱，同時發現zmlecrk1對莖部病害紋枯病和葉部病害小斑病抗性明顯減弱，表明ZmLecRK1是潛在的廣譜抗病基因。單倍型分析發現ZmLecRK1存在以ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4為代表的抗感單倍型，其序列差異全部集中在ZmLecRK1的胞外結構域。在玉米、煙草和擬南芥三種體系中均發現ZmLecRK1Qi319能觸發細胞死亡，而ZmLecRK1TY4則不能引起明顯變化，暗示ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4具有不同的生物學功能。轉錄組分析表明ZmLecRK1可能介導了細胞壁相關組分的合成相關基因的表達，進而貢獻多種病原菌抗性。
模式識別受體通常和共受體形成復合體激活免疫反應，但是G型LecRKs與共受體激酶如何激活下游免疫信號還未有人報道。作者通過IP-MS篩選到ZmLecRK1互作蛋白ZmBAK1，在zmbak1敲除轉基因玉米中ZmLecRK1Qi319不能觸發的細胞死亡，同時田間試驗發現zmbak1對腐霉莖腐病、紋枯病及小斑病抗病性明顯減弱。通過生化實驗表明ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作強度高于ZmLecRK1TY4與ZmBAK1，且ZmBAK1特異性增強ZmLecRK1Qi319自身互作強度，BN-PAGE實驗表明ZmLecRK1Qi319形成復合體能力遠強于ZmLecRK1TY4，并發現病原菌和真菌幾丁質處理能顯著增強ZmLecRK1和ZmBAK1的互作強度。
作者進一步探究了貢獻ZmLecRK1抗感單倍型的關鍵自然變異位點。結構域和點突變實驗發現PAN結構域的S404A自然變異是決定ZmLecRK1抗感基因型差異的主要位點。并發現A404S突變能夠顯著降低ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作能力以及ZmLecRK1Qi319形成復合物的能力。序列分析發現玉米祖先種大芻草和大多數獲得的禾本科植物均編碼感病單倍型S404，而具有A404的抗病單倍型僅存在于少數玉米自交系中。進一步突變體分析表明高粱和水稻中ZmLecRK1同源蛋白的S突變為A后能顯著增強其誘導免疫反應的能力。
綜上，該研究鑒定了一個玉米廣譜抗病基因ZmLecRK1，其編碼蛋白與共受體ZmBAK1形成復合體促發下游免疫反應，并且鑒定了決定該抗病基因功能的自然變異位點，該位點可以影響ZmLecRK1與共受體ZmBAK1形成復合體的能力，為通過堿基編輯精確靶標該位點來調節ZmLecRK1及其同源蛋白的功能培育作物抗病品種提供了重要理論基礎。
中國農業大學植物保護學院博士生李振菊、陳俊斌博士和劉闖博士為論文共同第一作者，玉米生物育種全國重點實驗室/中國農業大學植物保護學院朱旺升教授為通訊作者。課題組博士畢業生王明玉博士（現浙江省農業科學院植物保護與微生物研究所副研究員）、課題組程文鈺和劉琿、崖州灣國家實驗室王磊博士、中國農業大學植物保護學院Vijai Bhadauria教授、王世維博士、彭友良教授和中國農業大學玉米中心楊小紅教授、徐明良教授等人參與了該工作。感謝馬普生物研究所（圖賓根）Detlef Weigel教授、華中農業大學李博教授、華南農業大學梁祥修教授、中國農業大學畢國志教授、徐光遠副教授、徐寧副教授、張鑫副教授和三位審稿人提供的寶貴建議。感謝南京農業大學竇道龍教授提供的Pythium aphanidermatum菌株和煙草VIGS載體、中國農大陳旭君教授提供的Rhizoctonia solani菌株、中國農業科學院劉文德研究員提供的Bipolaris maydis菌株、段燦星研究員提供的Fusarium graminearum菌株、山東大學王官峰教授提供的Rp1-D21載體和中國農大于菲菲教授提供的高粱基因組DNA。該研究得到了生物育種-國家科技重大專項、國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金和拼多多-中國農業大學科研基金的資助。
日期：2024-11-11
