重磅!山东农大科研团队成功克隆抗纹枯病基因

2019-10-03 10:46 来源:山东高考一点通

  9月30日,国际著名学术期刊《自然-遗传学》发表山东农业大学储昭辉团队最新科研成果。该团队联合华中农业大学严建兵课题组,成功从玉米中克隆到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,为作物抗病育种提供了重要资源和有效途径。

  《自然-遗传学》属于遗传学领域的顶尖杂志,五年影响因子达到31。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省现代农业产业技术体系等项目的资助。

  储昭辉,1977年1月出生。长期从事病原微生物与植物互作以及“立体”抗病策略的研究,揭示了重要水稻隐性抗病基因xa13及其功能以及金属铜离子激发植物免疫的新机制,在《Nature Genetics》《Genes & Development》《Plant Cell》《Mol Plant》等学术期刊发表论文50余篇,获中国发明专利21项、国际发明专利1项。入选泰山学者岗位特聘专家、山东省有突出贡献中青年专家、山东省现代农业产业体系岗位专家。

  纹枯病是水稻、小麦等生产上最严重的病害之一,近些年在玉米上的发病面积也逐年增多,有的年份达到70%以上。纹枯病通常从基部叶鞘开始发生,隐蔽性强,严重时可引起整个植株枯死。

  纹枯病的病原立枯丝核菌属于坏死营养型土传性病害,非常顽固,在土壤中存活长达数年,而且寄主广泛。尽管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,但由于缺乏很好的抗病亲本材料,表型精确鉴定难,一直没有取得实质性进展。据四川农业大学陈学伟教授介绍,即使在模式作物水稻中,科学家们也未克隆出数量抗性基因,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。

  水稻丛生,小麦分孽,节间较短,叶鞘抱杆紧,人工接种后的感染数据,不同植株间甚至同一植株不同分蘖间误差较大,容易出差错。世界上许多实验室都在研究纹枯病数量性状基因,却难以取得突破,这是重要原因。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,鉴定到28个与纹枯病抗性显著相关的SNP位点,发现ZmFBL41基因与抗性的关联最为显著。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感纹枯病。

  “做数量性状研究,由于基因的效应小,降低技术误差非常难。因为玉米的一个茎节相对比较长,一定时间内几乎没有误差,接种病原操作简单,可以有效保障时间上的一致性。所以,我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,就是把遗传因子定量化了,这个技术创新颇受期刊编辑欣赏。”储昭辉介绍。

  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。储昭辉团队研究发现,ZmFBL41蛋白介导了肉桂醇脱氢酶ZmCAD的降解,从而降低了玉米稞木质素的积累,使其更加易感纹枯病。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;其抗病基因编码的蛋白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,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,逃脱了被ZmCAD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。

  他们研究还发现,玉米和水稻对纹枯病的抗性均有很高的保守性,所以,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。

论文主创人员

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