近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所在農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)1區(qū)期刊Plant Stress（2024 IF=6.9）在線發(fā)表題為“Multi-Omics Analysis Elucidates Phased Defense and Resource Allocation Trade-Offs in Fusarium Resistance of Maize”的研究論文。該論文從多組學(xué)角度，鑒定到1個(gè)新的玉米穗腐病抗性熱點(diǎn)區(qū)域和7個(gè)抗性關(guān)鍵基因。并首次提出抗性自交系在病原菌Fg （Fusarium graminearum, Fg）侵染早期，通過短暫抑制儲存相關(guān)蛋白合成和資源再分配，動態(tài)調(diào)節(jié)完成階段性抗性防御應(yīng)答的分子機(jī)制。

 

　　穗腐病是玉米生產(chǎn)中的一種主要病害，不僅影響產(chǎn)量和品質(zhì)，病原菌產(chǎn)生的脫氧雪腐鐮孢菌烯醇、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素和黃曲霉等毒素還會危害人畜健康。玉米穗腐病抗性為數(shù)量性狀，由多個(gè)微效基因決定。對5個(gè)環(huán)境中穗腐病接種鑒定結(jié)果的方差分析表明，遺傳因素對穗腐病抗性的影響大于環(huán)境效應(yīng)（H2, 0.54-0.89）?；?20份國內(nèi)外骨干自交系，通過GWAS鑒定到151個(gè)顯著關(guān)聯(lián)的SNP，其中包括bin 7.04區(qū)段中的新位點(diǎn)以及bin 3.04區(qū)段中已報(bào)道的抗性熱點(diǎn)區(qū)域。動態(tài)轉(zhuǎn)錄組分析揭示，抗感系對Fg侵染的遺傳機(jī)制完全不同，F(xiàn)g侵染后抗病系中發(fā)生了快速且持續(xù)的轉(zhuǎn)錄激活 （24 hpi時(shí)達(dá)到峰值） ，而感病系中僅發(fā)生了較小的轉(zhuǎn)錄變化。玉米與Fg之間的互作體現(xiàn)了資源的動態(tài)分配再平衡，即優(yōu)先分配給應(yīng)對Fg入侵的防御反應(yīng)，而非生長和儲存相關(guān)過程。在抗病系樣本中，儲存蛋白質(zhì)的合成暫時(shí)受到抑制 （e.g., α-zein），而氨基酸和代謝能量則被再分配用于防御化合物的生產(chǎn)，包括植物抗毒素和與病原體相關(guān)蛋白。相比之下，感病系中嚴(yán)重缺乏類似的資源再分配機(jī)制，導(dǎo)致防御反應(yīng)激活效率低下而無法抑制Fg在玉米籽粒中的侵染和擴(kuò)散。

 

　　整合GWAS-RNA-seq分析優(yōu)先確定32個(gè)候選基因，包括抗性相關(guān)的基因ZmTRX（ROS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)）和ZmGuLO（AsA生物合成）；分子伴侶sHSP降低能量消耗優(yōu)化防御效率；轉(zhuǎn)錄因子SARD1和VOZ1，在平衡防御反應(yīng)與生長之間起到關(guān)鍵作用。本研究鑒定的新位點(diǎn)和候選基因，以及提出的階段性防御模型，為深入解析玉米穗腐病抗性遺傳機(jī)理和分子機(jī)制提供了分子基礎(chǔ)和全新視角。

 

　　玉米所蘇愛國、肖森林和李志勇為該論文的共同第一作者，趙久然研究員、宋偉研究員和王榮煥研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（32201815）、北京市自然科學(xué)基金（6244040）以及北京學(xué)者計(jì)劃（BSP041）的資助。