中國農大新聞網(wǎng)訊 11月4日，農學院徐明良課題組在《自然·遺傳學》（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，詳細闡述了廣譜數(shù)量抗病基因的克隆和抗病分子機制。這一成果極大豐富了人們對植物在自然條件下應對多種病原菌的遺傳基礎和分子機制的了解，同時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。灰斑病、大斑病和小斑病是三種嚴重的玉米葉部病害，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發(fā)生，而玉米同時應對多種病害的遺傳基礎和分子機制尚未明確。
在之前的研究中，該團隊在玉米第五號染色體上鑒定到主效抗灰斑病位點qRgls2 。在后續(xù)的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)該位點不僅對灰斑病具有抗性，同時對大斑病和小斑病也展現(xiàn)出一定的抗性。經(jīng)過多年的精細定位，該位點被限定在78kb的范圍內。通過功能互補、RNA干擾、基因編輯和過表達等一系列轉基因功能驗證試驗，證明了編碼鈣依賴蛋白激酶的基因ZmCPK39 是該位點抗多種葉部病害的功能基因。
為了解析ZmCPK39的抗病分子機制，研究團隊利用酵母雙雜交篩選到ZmCPK39的底物蛋白ZmDi19。蛋白互作驗證結果表明，ZmCPK39與ZmDi19在細胞膜相互作用。利用轉基因功能驗證試驗，證明了ZmDi19正調控灰斑病、大斑病和小斑病抗性。
ZmCPK39負調控抗病性，而ZmDi19正調控抗病性，為了解析二者的相互作用關系，研究團隊首先通過生化實驗證明，ZmCPK39通過轉錄后調控ZmDi19的蛋白穩(wěn)定性。進一步研究發(fā)現(xiàn)， ZmCPK39能夠磷酸化修飾ZmDi19。利用質譜分析，團隊鑒定到六個磷酸化修飾位點，并通過點突變實驗發(fā)現(xiàn)ZmDi19蛋白第117位Ser的磷酸化狀態(tài)對其蛋白穩(wěn)定性起著至關重要的作用。
為了明確轉錄因子ZmDi19調控的下游靶標基因，研究團隊利用轉錄組和蛋白組學分析，初步確定了八個候選靶標基因。通過酵母單雜交技術，證實ZmDi19可以結合編碼病情相關蛋白的基因ZmPR10的啟動子。利用表達調控實驗，最終確定了ZmDi9正調控ZmPR10基因的表達。轉基因試驗和病原菌生長抑制實驗進一步證明，ZmPR10蛋白能夠抑制病原菌的生長和入侵，從而正調控玉米的抗病性。
基于以上研究結果，研究團隊提出了ZmCPK39介導的玉米廣譜數(shù)量抗性工作模型。在抗病自交系中，病原菌誘導ZmCPK39低表達，減緩了ZmCPK39對ZmDi19的磷酸化和降解作用，使得ZmDi19大量富集并促進病情相關蛋白ZmPR10的表達，從而表現(xiàn)出廣譜抗病。而在感病自交系中，病原菌誘導ZmCPK39高表達，促進ZmCPK39對ZmDi19的磷酸化和降解，ZmDi19的減少導致ZmPR10表達降低，從而使植物感病。
農學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；中國農業(yè)大學生物學院徐凌教授和吉林省農科院張艷研究員為本項目的成功奠定了堅實的基礎；云南省農科院番興明研究員、蔣輔燕博士，以及保山市農科院高級農藝師李琰聰、謝志堅、劉婷婷提供了試驗材料和田間管理；美國北卡州立大學Peter Balint-Kurti提供了寶貴的意見和見解。此外，遼寧省農科院 姜敏 研究員和西北農林科技大學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。該研究得到農業(yè)生物育種重大項目2030、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。
