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玉米纹枯病防控最有效策略:利用寄主抗病性

2019年10月02日

水稻小麦玉米三大主粮通吃拥有这种神通的就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北京时间10月1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抗击纹枯病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的借鉴到其他作物上以期帮助攻克其他作物上的纹枯病然而水稻纹枯病的研究进展并未像科学家预料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缺乏很好的抗病亲本材料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杆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严建兵告诉《中国科学报》经过几年摸索后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更小所以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了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但是用这个玉米中的已知基因再去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陈学伟认为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大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蛋白介导了肉桂醇脱氢酶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结构域的遗传变异逃脱了ZmCAD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个工作非常有意义李宁从读博士跟随储昭辉开始的八年抗战期间潜心研究在这个研究方向上没有急于发论文储昭辉回忆他在华中农大求学期间跟随导师王石平教授同样也花了八年时间首次从水稻中克隆隐性白叶枯病基因xa13如今换了一个角色换了一个地点再用8年克隆了首个纹枯病抗病基因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花费漫长的等待储昭辉说


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