玉米病害是限制玉米產(chǎn)量和穩(wěn)定生產(chǎn)的主要因素之一。玉米小斑病(southern leaf blight, SLB)、大斑病(northern leaf blight, NLB)和灰斑病(gray leaf spot, GLS)等真菌性葉部病害在全球各玉米產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生，對(duì)糧食安全構(gòu)成威脅。與單基因抗性相比，由多基因控制的數(shù)量抗性(quantitative resistance)通常更為持久和穩(wěn)定，但其遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制仍有待系統(tǒng)解析。

近日，北卡羅來納州立大學(xué)Peter Balint-Kurti課題組聯(lián)合西北農(nóng)林科技大學(xué)楊琴教授課題組在New Phytologist發(fā)表研究論文The maize mitogen-activated protein kinase kinase kinase geneZmMAPKKK45is associated with multiple disease resistance，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)結(jié)合遺傳與分子實(shí)驗(yàn)，揭示了ZmMAPKKK45 與多種葉部病害抗性存在顯著關(guān)聯(lián)。

研究團(tuán)隊(duì)利用包含 270 個(gè)玉米自交系的自然群體，在多個(gè)環(huán)境條件下系統(tǒng)鑒定了玉米小斑病抗性表型，并基于高密度 SNP 標(biāo)記開展了全基因組關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果共鑒定出 14 個(gè)與 SLB 抗性顯著相關(guān)的 SNP 位點(diǎn)，其中多數(shù)與此前報(bào)道的數(shù)量抗性位點(diǎn)(quantitative resistance loci, QRL)高度重疊。值得注意的是，在玉米 3 號(hào)染色體上，多個(gè)顯著關(guān)聯(lián)的 SNP 位于 ZmMAPKKK45上，提示該基因與 SLB 抗性相關(guān)。

進(jìn)一步的功能分析表明，ZmMAPKKK45 的表達(dá)水平與玉米小斑病抗性呈正相關(guān)關(guān)系。在 ZmMAPKKK45 啟動(dòng)子轉(zhuǎn)座子插入突變體中，該基因的表達(dá)量顯著降低，植株對(duì) SLB 的抗性同步下降；相反，在易感自交系背景 B104 中過表達(dá) ZmMAPKKK45，可顯著增強(qiáng)植株對(duì) SLB 的抗性(圖1)。此外，將 ZmMAPKKK45 過表達(dá)材料與突變體雜交后發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)等位基因的導(dǎo)入能夠顯著恢復(fù)突變體中受損的抗性水平，進(jìn)一步支持 ZmMAPKKK45 參與調(diào)控SLB抗性。

圖1: ZmMAPKKK45 突變降低玉米對(duì)小斑病的抗性

盡管ZmMAPKKK45編碼一類 Raf 亞家族的 MAPKKK 蛋白。但是研究發(fā)現(xiàn)ZmMAPKKK45 并未通過經(jīng)典的 MAPK 級(jí)聯(lián)反應(yīng)發(fā)揮作用。改變ZmMAPKKK45的表達(dá)，不會(huì)影響MAPK3/6的磷酸化水平，也不會(huì)影響下游防御相關(guān)基因的表達(dá)。相反，該基因與活性氧(reactive oxygen species，ROS)的積累密切相關(guān)。在 ZmMAPKKK45 突變體中，病原菌和幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的 ROS 生成顯著減弱；而在 ZmMAPKKK45 過表達(dá)材料中，ROS 積累則明顯增強(qiáng)，并伴隨著多種 NADPH 氧化酶基因(ZmRBOHs)表達(dá)水平的上調(diào)。這些結(jié)果提示，ZmMAPKKK45 可能通過影響 ZmRBOHs 的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié) ROS 的生成，從而參與玉米的抗病反應(yīng)。同時(shí)，該結(jié)果暗示了ZmMAPKKK45可能與多種病害抗性相關(guān)。

田間實(shí)驗(yàn)顯示，突變ZmMAPKKK45不僅影響玉米對(duì)小斑病的抗性，還顯著降低玉米對(duì)大斑病和灰斑病的抗性(圖2)。這說明 ZmMAPKKK45 影響玉米對(duì)多種葉部真菌病害的抗性。

圖2: ZmMAPKKK45 調(diào)控玉米對(duì)大斑病和灰斑病的抗性

綜上，該研究從群體遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)和生理生化等多個(gè)層面，闡明了 ZmMAPKKK45 與玉米多種葉部病害抗性之間的關(guān)系，為理解 MAPKKK 家族在作物免疫中的非經(jīng)典功能提供了新視角，也為抗病分子設(shè)計(jì)育種提供了重要候選基因資源。

北卡羅來納州立大學(xué)鐘濤博士為本研究第一作者，Peter Balint-Kurti博士為通訊作者，西北農(nóng)林科技大學(xué)楊琴教授為共同第一作者及共同通訊作者。USDA-ARS的James Holland博士為研究提供了指導(dǎo)。本研究得到USDA-ARS和NSF的資助。

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https://doi.org/10.1111/nph.70828