中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 9月19日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院朱旺升團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞出版社（Cell Press）旗下期刊《分子植物》（Molecular Plant） 在線發(fā)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(guān)聯(lián)分析獲得貢獻(xiàn)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(fù)合體介導(dǎo)免疫信號(hào)傳遞，并鑒定了抗感單倍型的關(guān)鍵氨基酸變異A404S，發(fā)現(xiàn)在玉米祖先種大芻草和其他禾本科植物中，該位點(diǎn)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(chuàng)制抗病作物提供了理論基礎(chǔ)。

 

　　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(shí)受到多種病原菌侵染，如腐霉菌和鐮刀菌單獨(dú)或復(fù)合侵染導(dǎo)致玉米莖腐病；立枯絲核菌侵染導(dǎo)致玉米紋枯??；玉蜀黍平臍蠕孢菌侵染導(dǎo)致玉米小斑病等導(dǎo)致品質(zhì)及產(chǎn)量嚴(yán)重下降。因此，挖掘新的廣譜抗病基因并解析其分子功能對(duì)抗病育種和品種遺傳改良是至關(guān)重要的。

 

　　課題組之前通過全基因組關(guān)聯(lián)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(duì)瓜果腐霉抗性明顯減弱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)zmlecrk1對(duì)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)域。在玉米、煙草和擬南芥三種體系中均發(fā)現(xiàn)ZmLecRK1Qi319能觸發(fā)細(xì)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(xué)功能。轉(zhuǎn)錄組分析表明ZmLecRK1可能介導(dǎo)了細(xì)胞壁相關(guān)組分的合成相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而貢獻(xiàn)多種病原菌抗性。

 

　　模式識(shí)別受體通常和共受體形成復(fù)合體激活免疫反應(yīng)，但是G型LecRKs與共受體激酶如何激活下游免疫信號(hào)還未有人報(bào)道。作者通過IP-MS篩選到ZmLecRK1互作蛋白ZmBAK1，在zmbak1敲除轉(zhuǎn)基因玉米中ZmLecRK1Qi319不能觸發(fā)的細(xì)胞死亡，同時(shí)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)zmbak1對(duì)腐霉莖腐病、紋枯病及小斑病抗病性明顯減弱。通過生化實(shí)驗(yàn)表明ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作強(qiáng)度高于ZmLecRK1TY4與ZmBAK1，且ZmBAK1特異性增強(qiáng)ZmLecRK1Qi319自身互作強(qiáng)度，BN-PAGE實(shí)驗(yàn)表明ZmLecRK1Qi319形成復(fù)合體能力遠(yuǎn)強(qiáng)于ZmLecRK1TY4，并發(fā)現(xiàn)病原菌和真菌幾丁質(zhì)處理能顯著增強(qiáng)ZmLecRK1和ZmBAK1的互作強(qiáng)度。

 

　　作者進(jìn)一步探究了貢獻(xiàn)ZmLecRK1抗感單倍型的關(guān)鍵自然變異位點(diǎn)。結(jié)構(gòu)域和點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PAN結(jié)構(gòu)域的S404A自然變異是決定ZmLecRK1抗感基因型差異的主要位點(diǎn)。并發(fā)現(xiàn)A404S突變能夠顯著降低ZmLecRK1Qi319與ZmBAK1互作能力以及ZmLecRK1Qi319形成復(fù)合物的能力。序列分析發(fā)現(xiàn)玉米祖先種大芻草和大多數(shù)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(shù)玉米自交系中。進(jìn)一步突變體分析表明高粱和水稻中ZmLecRK1同源蛋白的S突變?yōu)锳后能顯著增強(qiáng)其誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的能力。

 

　　綜上，該研究鑒定了一個(gè)玉米廣譜抗病基因ZmLecRK1，其編碼蛋白與共受體ZmBAK1形成復(fù)合體促發(fā)下游免疫反應(yīng)，并且鑒定了決定該抗病基因功能的自然變異位點(diǎn)，該位點(diǎn)可以影響ZmLecRK1與共受體ZmBAK1形成復(fù)合體的能力，為通過堿基編輯精確靶標(biāo)該位點(diǎn)來調(diào)節(jié)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(chǔ)。

 

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院朱旺升教授為通訊作者。課題組博士畢業(yè)生王明玉博士（現(xiàn)浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)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(shí)驗(yàn)室王磊博士、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院Vijai Bhadauria教授、王世維博士、彭友良教授和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)李博教授、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)梁祥修教授、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)畢國志教授、徐光遠(yuǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)竇道龍教授提供的Pythium aphanidermatum菌株和煙草VIGS載體、中國農(nóng)大陳旭君教授提供的Rhizoctonia solani菌株、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(xué)王官峰教授提供的Rp1-D21載體和中國農(nóng)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(xiàng)、國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和拼多多-中國農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基金的資助。