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玉米新基因:纹枯病“抗击战”的曙光

放大字体  缩小字体 时间:2019-10-14 08:40 来源:中国科学报 作者: 李晨   原文:
核心提示:近日,《自然—遗传学》杂志在线发表了山东农业大学教授储昭辉课题组联合华中农业大学教授严建兵课题组的最新研究成果。他们成功地从玉米中克隆了针对纹枯病的抗病基因,并揭示了该基因产物通过调控细胞壁重要组分木质素合成而增强植物抗病性的新机制。这为纹枯病“抗击战”带来了新的曙光。
  水稻、小麦、玉米,三大主粮“通吃”,如此“神通”的正是纹枯病。它通常悄悄地从作物基部叶鞘发生,严重时可引起整个植株枯死。水稻和小麦纹枯病是农业生产上最普遍、最严重的病害之一,而玉米纹枯病发病面积逐年增多,有时可达70%以上。

  对纹枯病抗性资源的筛选和抗病基因的鉴定与克隆,受到科学界广泛关注,但相关研究工作进展缓慢。

  近日,《自然—遗传学》杂志在线发表了山东农业大学教授储昭辉课题组联合华中农业大学教授严建兵课题组的最新研究成果。他们成功地从玉米中克隆了针对纹枯病的抗病基因,并揭示了该基因产物通过调控细胞壁重要组分木质素合成而增强植物抗病性的新机制。这为纹枯病“抗击战”带来了新的曙光。

  在玉米中另辟蹊径

  10年前,储昭辉在山东农业大学向纹枯病“宣战”时,和全世界大多数科学家一样,也寄希望于水稻这种模式作物。这一方面是因为水稻纹枯病发病广泛而严重,造成的损失巨大,利用水稻做研究有利于尽快将成果付诸实践;另一方面是因为水稻作为模式作物,其研究成果能较快推广到其他作物上,以期帮助其他作物攻克纹枯病。

  然而,水稻纹枯病的研究进展并未像科学家预想的那样顺利。

  四川农业大学教授陈学伟介绍,作物对纹枯病的抗性属于多基因控制的数量性状(QTL)。在模式作物水稻中,科学家未能克隆出纹枯病数量抗性基因,仅发现少量基因调控纹枯病抗性反应,其介导的抗性机制也不清楚。

  而由于好的抗病亲本材料缺乏、表型精确鉴定难等原因,之前在玉米纹枯病基因克隆方面也没有取得实质性进展。

  严建兵分析,研究数量性状基因,植物表型(可视的性状)数据需要极度精确可靠。水稻丛生、小麦分孽,由于它们的节间较短、叶鞘抱秆较紧,人工接种纹枯病菌后的感染数据,在不同植株间甚至同一植株不同分蘖间的误差较大,容易出差错。

  “这是世界上许多实验室研究纹枯病数量性状基因难以取得突破的重要原因。”严建兵告诉《中国科学报》。

  经过几年摸索,2011年,储昭辉决定把研究对象从水稻改为玉米,从此开始了玉米纹枯病的“八年抗战”。

  这8年中潜心研究的论文第一作者、山东农业大学副教授李宁告诉《中国科学报》:“纹枯病分布广、危害大、抗源少,挖掘其抗病基因、揭示抗性机理,这项工作非常有意义。”

  从玉米回到水稻

  “做数量性状研究,由于基因的效应小,最难的是如何降低技术误差。因为玉米的每个茎节相对比较长,接种病原操作简单,可以有效保障时间上的一致性。”储昭辉告诉《中国科学报》,误差最容易产生的环节是从接种点茎节到下一个茎节之间的扩展,而同一个茎节在一定时间内误差相对较小。

  因此,他们把玉米自交系接种纹枯病菌5天后的病斑长度作为一个遗传因子进行测定,确定了单位时间内单个茎节内的病斑扩展长度,也就是把遗传因子定量化。

  “这是很好的技术改进,加上玉米群体做关联分析的优势,《自然—遗传学》审稿人对我们这个方法非常欣赏。”储昭辉说。

  在严建兵支持下,储昭辉课题组利用玉米重组自交系自然群体,调查了318份重测序的玉米自交系接种纹枯病菌5天后的病斑长度,通过全基因组关联分析等方法,对控制病斑扩展的QTL位点进行定位。

  最终,他们鉴定出28个与纹枯病抗性显著相关的SNP位点,并发现位于第4号染色体的ZmFBL41基因与抗性的关联最为显著。纹枯病抗性鉴定结果表明,转座子Mu插入突变体,降低了ZmFBL41转录水平。相比于对照材料,植株表现出较强的抗性。

  这个基因不仅控制着玉米对纹枯病的抗性,而且类似基因在水稻、小麦等作物中也存在。“在丛生的水稻中确定一个数量性状基因很难,用这个玉米中的已知基因研究水稻纹枯病,就顺畅直接了许多。”储昭辉说,在水稻中表达感病型玉米ZmFBL41基因,试验植株比野生型植株更易感纹枯病,证明了该基因在水稻中也能发挥抗病作用。

  该成果为水稻、玉米以及其他作物抗纹枯病遗传研究与改良提供了靶标。“该发现鉴定的系列自然等位变异的抗性资源,可直接用于改良和培育纹枯病抗性优良玉米新品种,为玉米和水稻等作物的抗病育种提供了重要资源和有效途径。”陈学伟说。

  最有效策略:利用寄主抗病性

  纹枯病的病原叫做立枯丝核菌,属于坏死营养型土传性病害,非常顽固,在土壤中可存活长达数年,而且寄主广泛。

  中国农业大学植物病理系教授孙文献说,储昭辉团队不但克隆了抗纹枯病的宝贵基因,还揭示了该基因产物通过泛素化调控细胞壁重要组分木质素的合成,从而增强植物抗病性的新机制,阐释了植物对死体营养型病害抗性的全新分子机制。

  “利用寄主抗病性是防控纹枯病最有效的策略,也是未来纹枯病研究的重点与走向。”孙文献认为。

  植物表皮的木质素是其自身可抗病的因素之一,然而木质素的合成需要酶的广泛参与,肉桂醇脱氢酶(ZmCAD)就是其中的关键酶。

  储昭辉团队发现,ZmFBL41蛋白介导了ZmCAD的降解,从而降低了玉米叶鞘木质素的积累,使其更加易感纹枯病。研究的重点就是要破解阻止ZmCAD降解的天然遗传变异之谜。

  他们发现,ZmFBL41蛋白感病基因编码的LRR结构域与ZmCAD互作,其木质素会被降解;而LRR结构域两个关键氨基酸变异后,则会丧失与ZmCAD互作的能力,木质素就能源源不断填补细胞壁。

  接种纹枯病菌24到48小时后,玉米抗病自交系中木质素的含量显著高于感病自交系。ZmFBL41基因通过LRR结构域的遗传变异,使ZmCAD逃脱了被分解的命运,维护、促进了木质素的合成,最终提高了植物的抗病性。

  用8年时间克隆首个纹枯病抗病基因,储昭辉说:“遗传学,尤其是大田作物的遗传学研究,每一项都堪比大工程,需要漫长的等待。”

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41588-019-0503-y
日期:2019-10-14
 
 地区: 中国 山东
 行业: 畜禽肉品 食品检测 粮油
 标签: 细胞壁 玉米 克隆 基因
 
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