ZmFBL41: 玉米抗纹枯病的关键利器

来源：BioArt植物

作者：李伟滔，贺闽，陈学伟（四川农业大学）

由死体营养型真菌Rhizoctonia solani 引起的玉米 (Zea mays)、水稻 (Oryza sativa) 和大豆 (Glycine max) 纹枯病, 以及马铃薯 (Solanum tuberosum) 黑痣病等是广泛流行的土壤传播疾病性作物病害。该病菌寄主范围广, 包括禾本科、豆科和茄科植物等多达百种(Baruah and Lal, 1981), 常见致病优势菌群为AGs-1-IA (Ogoshi, 1987)。纹枯病在斯里兰卡被首次报道, 之后传至全球, 现已在许多国家爆发(Sharma et al., 2002)。该病害每年导致玉米和水稻产量损失达10%–40%,持续降雨条件下甚至达到100% (Singh and Sharma, 1976)。R. solani主要危害叶鞘, 严重时危及穗子(Sharma et al., 2004)。纹枯病分布广、危害大且抗源少, 因此, 迫切需要挖掘作物的抗病基因, 揭示其抗性机理并在生产中加以应用, 对降低纹枯病的危害具有重要意义。

前人的研究表明, 玉米对纹枯病的抗性属于多基因控制的数量性状(Li et al., 1995)。玉米的10对染色体上均有抗性相关的数量性状基因位点 (quantitative trait locus, QTL), 并且在第6、7和10号染色体上的分布频率较高 (Hooda et al., 2017)。然而, 目前尚未克隆到控制玉米纹枯病抗性的主效基因。即使在模式作物水稻中, 也仅发现转录因子基因OsWRKY4 (Wang et al., 2015)和OsWRKY80 (Peng et al., 2016)、几丁质酶基因LOC_Os11g47510 (Richa et al., 2017)和CYP78A家族基因OsBSR2 (Maeda et al., 2019) 等少量基因调控纹枯病的抗性反应, 这些基因介导的抗性机制也不清楚。

近期, 山东农业大学储昭辉教授团队与其它单位的研究人员合作, 通过全基因组关联分析 (genome-wide association study, GWAS), 鉴定到28个与纹枯病抗性显著相关的SNP位点, 分布于染色体1、4、7和8上的9个区段内。其中, 位于第4号染色体的基因GRMZM2G109140  (ZmFBL41) 的第2个外显子内的SNP chr4.S_180199219与抗性的关联最为显著, 因此推测该基因是调控纹枯病抗性的基因。

纹枯病抗性鉴定结果表明, 转座子插入突变体zmfbl41 (mu1059763) 相比对照材料表现出较强的抗性。水稻中异源过表达ZmFBL41B73后, 纹枯病病症加重, 表明ZmFBL41是纹枯病抗性反应的负调控因子。其编码蛋白含有F-box和LRR结构域, F-box结构域与ZmSKP1-1 (GRMZM2G417092)互作, 形成一个E3泛素连接酶复合体SCF (SKP1-Cullin-F-box), 而LRR结构域与肉桂醇脱氢酶ZmCAD互作, 介导SCF泛素连接酶复合体对底物ZmCAD的降解。转座子插入突变体zmcad (mu1065184)与对照相比更易感纹枯病; 同样, 水稻中敲除同源基因OsCAD8B (LOC_Os09g23540)后也更易感纹枯病, 表明CAD蛋白是玉米和水稻纹枯病抗性反应的正调控因子。因此, 玉米和水稻中存在相似的纹枯病抗性反应调控机制。

ZmCAD 编码的肉桂醇脱氢酶催化木质素单体合成, 是木质素合成途径的重要基因。ZmFBL41和ZmSKP1-1形成的SCF复合体通过降解ZmCAD降低木质素的积累。相应地, 转座子插入突变体zmcad中的木质素含量降低, 玉米更易感纹枯病; 而转座子插入突变体zmfbl41中积累了较多的木质素, 抗病性增强。此外, 他们还进一步鉴定到ZmFBL41的1个自然等位变异ZmFBL41Chang7-2(ZmFBL41E214G/S217R), 该变异能增强纹枯病的抗性。ZmFBL41Chang7-2的214位(E→G)和217位(S→R)氨基酸发生错义突变, 导致蛋白ZmFBL41Chang7-2不能与ZmCAD互作, SCF复合体无法降解底物ZmCAD, 使木质素含量增加, 从而增强对纹枯病的抗性 (Li et al., 2019)。

综上所述, 该研究团队发现了SCF复合体对玉米纹枯病抗性的重要调控作用, 并率先揭示了SCF复合体可通过降解肉桂醇脱氢酶调控植物免疫反应和抗性的新型分子机制 (图1)。

图1  ZmFBL41介导的纹枯病抗性。ZmFBL41与ZmSKP1-1互作形成SCF复合体, 通过26S蛋白酶体降解底物ZmCAD, 减少木质素的积累, 从而使玉米易感纹枯病。而ZmFBL41Chang7-2因其中2个关键氨基酸位点变异(E214G, S217R), 不能结合并降解底物ZmCAD, 从而引起木质素积累, 使玉米对纹枯病的抗性增强。

纹枯病致病菌R. solani宿主范围广且危害大, 挖掘作物的抗性基因并加以育种应用, 是有效防控纹枯病危害的重要措施。该研究不仅揭示了玉米和水稻等作物纹枯病抗性调控的重要机制; 而且鉴定的系列自然等位变异的抗性资源(如ZmFBL41Chang7-2), 可直接用于抗纹枯病优良玉米新品种的培育, 为玉米和水稻等作物抗病育种提供了重要资源和有效途径。

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