9月14日，我校生命科學(xué)學(xué)院、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室王海洋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所在Nature Plants（影響因子17.352）在線發(fā)表了題目為“A transcription factor ZmGLK36 confers broad resistance to maize rough dwarf disease in cereal crops”的研究論文(論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41477-023-01514-w)，文章揭示了ZmDBF2-ZmGLK36- ZmJMT/ZmLOX8分子模塊調(diào)控玉米抗粗縮病的遺傳基礎(chǔ)，為作物抗病改良提供了基因資源。
玉米粗縮病是一種世界性的病毒病，由斐濟(jì)病毒屬 （Fijivirus）病毒通過灰飛虱介導(dǎo)傳播。在我國(guó)，玉米粗縮病主要由水稻黑條矮縮病毒（Rice black-streaked dwarf virus, RBSDV）引起，發(fā)病嚴(yán)重時(shí)造成絕收。除玉米外，RBSDV還會(huì)引起水稻和小麥等多種禾本科作物病害。迄今為止，能夠同時(shí)提高玉米、水稻和小麥對(duì)RBSDV抗性的基因尚未有報(bào)道。
研究團(tuán)隊(duì)完成了玉米抗病自交系齊319的高質(zhì)量參考基因組組裝和注釋，構(gòu)建了齊319和感病自交系掖478的重組自交系群體（RILs）和染色體片段代換系群體（CSSLs）。聯(lián)合RILs和CSSLs，在第2號(hào)染色體上鑒定到抗玉米粗縮病主效QTL-qMrdd2，通過精細(xì)定位將qMrdd2區(qū)間縮小到315 kb。結(jié)合接種RBSDV后該區(qū)間內(nèi)ZmGLK36轉(zhuǎn)錄水平顯著變化，推測(cè)該基因是控制玉米對(duì)RBSDV抗性的候選基因。利用ZmGLK36的過表達(dá)和基因敲除植株表型分析均表明ZmGLK36是控制玉米對(duì)RBSDV抗性的正調(diào)控因子。
為了挖掘ZmGLK36功能變異位點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)ZmGLK36的啟動(dòng)子和基因組序列進(jìn)行測(cè)序，結(jié)合候選基因關(guān)聯(lián)分析，在該基因5’UTR區(qū)域鑒定到26 bp的插入缺失（insertion-deletion polymorphism, InDel）變異是該基因的關(guān)鍵功能位點(diǎn)，同時(shí)將ZmGLK36在自交系群體中劃分為2種單倍型：ZmGLK36Qi319 (抗病自交系中缺失26 bp，Hap 1)和ZmGLK36Ye478 (感病自交系中含有26 bp，Hap 2)。含有Hap 1自交系中ZmGLK36均可受到RBSDV的誘導(dǎo)表達(dá)。進(jìn)一步利用基因技術(shù)，證明了5’UTR區(qū)域內(nèi)26 bp的InDel變異決定了ZmGLK36單倍體型的功能分化。
為了解析ZmGLK36對(duì)RBSDV抗性的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Indel-26的堿基序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該片段中存在AP2/EREBP家族的轉(zhuǎn)錄抑制因子ZmDBF2結(jié)合基序。結(jié)合遺傳和生化實(shí)驗(yàn)證明了ZmDBF2直接結(jié)合Indel-26片段來抑制ZmGLK36轉(zhuǎn)錄表達(dá)，抗病自交系中因該片段的缺失解除了ZmDBF2對(duì)ZmGLK36的轉(zhuǎn)錄抑制效應(yīng)，使得ZmGLK36能夠正常轉(zhuǎn)錄表達(dá)。進(jìn)一步聯(lián)合代謝組、轉(zhuǎn)錄組、遺傳和生化實(shí)驗(yàn)，明確了ZmGLK36通過激活茉莉酸（JA）生物合成路徑關(guān)鍵基因ZmJMT和ZmLOX8的表達(dá)，增強(qiáng)JA介導(dǎo)的防御反應(yīng)來提高玉米對(duì)RBSDV的抗性。
我國(guó)溫帶玉米種質(zhì)中攜帶抗病單體型Hap 1的自交系比例不足5%，屬于稀有等位變異。通過開發(fā)功能分子標(biāo)記Indel-26對(duì)10個(gè)溫帶玉米自交系及其雜交種進(jìn)行抗性改良，田間人工接種鑒定試驗(yàn)表明ZmGLK36 可以顯著提高玉米對(duì)RBSDV的抗性。此外，在小麥Fielder和水稻淮稻5號(hào)中過表達(dá)ZmGLK36也可以顯著提高對(duì)RBSDV的抗性。研究表明ZmGLK36在不同作物中均具有調(diào)控對(duì)RBSDV抗性的保守性功能。
ZmDBF2-ZmGLK36-ZmJMT/ZmLOX8調(diào)控玉米粗縮病抗性的分子模型
綜上，該研究從遺傳學(xué)角度鑒定了新的抗粗縮病基因，揭示了ZmDBF2-ZmGLK36-ZmJMT/ZmLOX8分子模塊參與調(diào)控RBSDV抗性的分子機(jī)制，為玉米粗縮病抗病分子育種提供了理論支持。同時(shí)，研究表明ZmGLK36可以提高水稻和小麥對(duì)RBSDV的抗性，為水稻和小麥等禾本科作物提供了新的抗病基因資源。
作物科學(xué)研究所博士后許振南和副研究員周志強(qiáng)為該論文的共同第一作者，李新海研究員、翁建峰研究員和王海洋教授（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)）為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等資助。
王海洋教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事玉米耐密理想株型和強(qiáng)優(yōu)勢(shì)玉米雜交種分子設(shè)計(jì)的研究。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)解析了現(xiàn)代玉米育種過程中自交系耐密遺傳改良的育種選擇指紋、以及不同雜優(yōu)模式中父本和母本群的遺傳改良規(guī)律，在Nature Genetics、Nature Plants、The Plant Cell、New Phytologists、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology等期刊發(fā)表系列研究成果，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。
文圖/生命科學(xué)學(xué)院
