2023年9月14日，我校生命科學學院、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室和嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室王海洋教授團隊聯(lián)合中國農(nóng)科院作科所在《自然-植物（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，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，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，由斐濟病毒屬 （Fijivirus）病毒通過灰飛虱介導傳播。在我國，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)病嚴重時造成絕收。除玉米外，RBSDV還會引起水稻和小麥等多種禾本科作物病害。迄今為止，能夠同時提高玉米、水稻和小麥對RBSDV抗性的基因尚未有報道。
該研究團隊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號染色體上鑒定到抗玉米粗縮病主效QTL-qMrdd2，通過精細定位將qMrdd2區(qū)間縮小到315 kb。結合接種RBSDV后該區(qū)間內(nèi)ZmGLK36轉錄水平顯著變化，推測該基因是控制玉米對RBSDV抗性的候選基因。利用ZmGLK36的過表達和基因敲除植株表型分析均表明ZmGLK36是控制玉米對RBSDV抗性的正調(diào)控因子。
為了挖掘ZmGLK36功能變異位點，研究團隊對ZmGLK36的啟動子和基因組序列進行測序，結合候選基因關聯(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）變異是該基因的關鍵功能位點，同時將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的誘導表達。進一步利用過表達和基因編輯技術，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RBSDV抗性的分子機制，研究團隊對Indel-26的堿基序列進行分析，發(fā)現(xiàn)該片段中存在AP2/EREBP家族的轉錄抑制因子ZmDBF2結合基序。結合遺傳和生化實驗證明了ZmDBF2直接結合Indel-26片段來抑制ZmGLK36轉錄表達，抗病自交系中因該片段的缺失解除了ZmDBF2對ZmGLK36的轉錄抑制效應，使得ZmGLK36能夠正常轉錄表達。進一步聯(lián)合代謝組、轉錄組、遺傳和生化實驗，明確了ZmGLK36通過激活茉莉酸（JA）生物合成路徑關鍵基因ZmJMT和ZmLOX8的表達，增強JA介導的防御反應來提高玉米對RBSDV的抗性。
我國溫帶玉米種質(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)功能分子標記Indel-26對10個溫帶玉米自交系及其雜交種進行抗性改良，田間人工接種鑒定試驗表明ZmGLK36 可以顯著提高玉米對RBSDV的抗性。此外，在小麥Fielder和水稻淮稻5號中過表達ZmGLK36也可以顯著提高對RBSDV的抗性。研究表明ZmGLK36在不同作物中均具有調(diào)控對RBSDV抗性的保守性功能。
圖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抗性的分子機制，為玉米粗縮病抗病分子育種提供了理論支持。同時研究表明ZmGLK36可以提高水稻和小麥對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。
作科所博士后許振南和副研究員周志強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）為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然基金項目、中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程、國家玉米產(chǎn)業(yè)技術體系等資助。
王海洋教授團隊長期從事玉米耐密理想株型和強優(yōu)勢玉米雜交種分子設計的研究。該團隊系統(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)界的廣泛關注。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01514-w
