王海洋教授团队联合中国农科院作科所发现广谱抗黑条矮缩病毒新基因

来源单位及审核人:生命科学学院 王海洪编辑:李彦华审核发布:安沛 发布时间:2023-09-15浏览次数:10

9月14日,我校生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室王海洋教授团队联合中国农业科学院作物科学研究所在Nature Plants(影响因子17.352)在线发表了题目为“A transcription factor ZmGLK36 confers broad resistance to maize rough dwarf disease in cereal crops”的研究论文(论文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-023-01514-w),文章揭示了ZmDBF2-ZmGLK36- ZmJMT/ZmLOX8分子模块调控玉米抗粗缩病的遗传基础,为作物抗病改良提供了基因资源。

玉米粗缩病是一种世界性的病毒病,由斐济病毒属 (Fijivirus)病毒通过灰飞虱介导传播。在我国,玉米粗缩病主要由水稻黑条矮缩病毒(Rice black-streaked dwarf virus, RBSDV)引起,发病严重时造成绝收。除玉米外,RBSDV还会引起水稻和小麦等多种禾本科作物病害。迄今为止,能够同时提高玉米、水稻和小麦对RBSDV抗性的基因尚未有报道。

研究团队完成了玉米抗病自交系齐319的高质量参考基因组组装和注释,构建了齐319和感病自交系掖478的重组自交系群体(RILs)和染色体片段代换系群体(CSSLs)。联合RILs和CSSLs,在第2号染色体上鉴定到抗玉米粗缩病主效QTL-qMrdd2,通过精细定位将qMrdd2区间缩小到315 kb。结合接种RBSDV后该区间内ZmGLK36转录水平显著变化,推测该基因是控制玉米对RBSDV抗性的候选基因。利用ZmGLK36的过表达和基因敲除植株表型分析均表明ZmGLK36是控制玉米对RBSDV抗性的正调控因子。

为了挖掘ZmGLK36功能变异位点,研究团队对ZmGLK36的启动子和基因组序列进行测序,结合候选基因关联分析,在该基因5’UTR区域鉴定到26 bp的插入缺失(insertion-deletion polymorphism, InDel)变异是该基因的关键功能位点,同时将ZmGLK36在自交系群体中划分为2种单倍型: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的诱导表达。进一步利用基因技术,证明了5’UTR区域内26 bp的InDel变异决定了ZmGLK36单倍体型的功能分化。

为了解析ZmGLK36对RBSDV抗性的分子机制,研究团队对Indel-26的碱基序列进行分析,发现该片段中存在AP2/EREBP家族的转录抑制因子ZmDBF2结合基序。结合遗传和生化实验证明了ZmDBF2直接结合Indel-26片段来抑制ZmGLK36转录表达,抗病自交系中因该片段的缺失解除了ZmDBF2对ZmGLK36的转录抑制效应,使得ZmGLK36能够正常转录表达。进一步联合代谢组、转录组、遗传和生化实验,明确了ZmGLK36通过激活茉莉酸(JA)生物合成路径关键基因ZmJMT和ZmLOX8的表达,增强JA介导的防御反应来提高玉米对RBSDV的抗性。

我国温带玉米种质中携带抗病单体型Hap 1的自交系比例不足5%,属于稀有等位变异。通过开发功能分子标记Indel-26对10个温带玉米自交系及其杂交种进行抗性改良,田间人工接种鉴定试验表明ZmGLK36 可以显著提高玉米对RBSDV的抗性。此外,在小麦Fielder和水稻淮稻5号中过表达ZmGLK36也可以显著提高对RBSDV的抗性。研究表明ZmGLK36在不同作物中均具有调控对RBSDV抗性的保守性功能。    

ZmDBF2-ZmGLK36-ZmJMT/ZmLOX8调控玉米粗缩病抗性的分子模型

综上,该研究从遗传学角度鉴定了新的抗粗缩病基因,揭示了ZmDBF2-ZmGLK36-ZmJMT/ZmLOX8分子模块参与调控RBSDV抗性的分子机制,为玉米粗缩病抗病分子育种提供了理论支持。同时,研究表明ZmGLK36可以提高水稻和小麦对RBSDV的抗性,为水稻和小麦等禾本科作物提供了新的抗病基因资源。

作物科学研究所博士后许振南和副研究员周志强为该论文的共同第一作者,李新海研究员、翁建峰研究员和王海洋教授(华南农业大学)为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国农业科学院科技创新工程、国家玉米产业技术体系等资助。

王海洋教授团队长期从事玉米耐密理想株型和强优势玉米杂交种分子设计的研究。该团队系统解析了现代玉米育种过程中自交系耐密遗传改良的育种选择指纹、以及不同杂优模式中父本和母本群的遗传改良规律,在Nature Genetics、Nature Plants、The Plant Cell、New Phytologists、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology等期刊发表系列研究成果,受到业界的广泛关注。


文图/生命科学学院

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