玉米是我国第一大粮食作物，在粮食安全战略中发挥着重要作用。然而，玉米在生长过程中面临诸多病原菌造成的病害问题。灰斑病、大斑病和小斑病是三种严重的玉米叶部病害，对玉米产量造成极大威胁。在我国西南和东北玉米产区，灰斑病和大斑病普遍发生，是最为严重的叶部病害。近年来，在黄淮海和华北玉米产区的小斑病发生逐年加重。在自然环境条件下，玉米不同病害往往会同时发生，而玉米同时应对多种病害的遗传基础和分子机制尚未明确。
2024年11月4日，中国农业大学徐明良课题组在《Nature Genetics》上在线发表了题为《The ZmCPK39-ZmDi19-ZmPR10 immune module regulates quantitative resistance to multiple foliar diseases in maize》的研究论文。该研究历经十余载，详细阐述了广谱数量抗病基因的克隆和抗病分子机制。这一成果极大丰富了人们对植物在自然条件下应对多种病原菌的遗传基础和分子机制的了解，同时为抗病分子育种提供了重要的基因资源。
此外，《Nature Genetics》同期还发表了该项工作的 Research Briefing：标题为《The kinase ZmCPK39 regulates foliar diseases resistance in maize plants》。
在之前的研究中，该团队在玉米第五号染色体上鉴定到主效抗灰斑病位点qRgls2。在后续的研究中，研究者发现该位点不仅对灰斑病具有抗性，同时对大斑病和小斑病也展现出一定的抗性。经过多年的精细定位，该位点被限定在78kb的范围内。通过功能互补、RNA干扰、基因编辑和过表达等一系列转基因功能验证试验，证明了编码钙依赖蛋白激酶的基因ZmCPK39是该位点抗多种叶部病害的功能基因。
图1. ZmCPK39负调控灰斑病、大斑病和小斑病抗性
为了解析ZmCPK39的抗病分子机制，研究团队利用酵母双杂交筛选到ZmCPK39的底物蛋白ZmDi19。蛋白互作验证结果表明，ZmCPK39与ZmDi19在细胞膜相互作用。利用转基因功能验证试验，证明了ZmDi19正调控灰斑病、大斑病和小斑病抗性。
图2. ZmDi19与ZmCPK39相互作用
并正调控玉米抗病性
ZmCPK39负调控抗病性，而ZmDi19正调控抗病性，为了解析二者的相互作用关系，研究团队首先通过生化实验证明，ZmCPK39通过转录后调控ZmDi19的蛋白稳定性。进一步研究发现， ZmCPK39能够磷酸化修饰ZmDi19。利用质谱分析，团队鉴定到六个磷酸化修饰位点，并通过点突变实验发现ZmDi19蛋白第117位Ser的磷酸化状态对其蛋白稳定性起着至关重要的作用。
图3. ZmCPK39磷酸化ZmDi19并促进其降解
为了明确转录因子ZmDi19调控的下游靶标基因，研究团队利用转录组和蛋白组学分析，初步确定了八个候选靶标基因。通过酵母单杂交技术，证实ZmDi19可以结合编码病情相关蛋白的基因ZmPR10的启动子。利用表达调控实验，最终确定了ZmDi9正调控ZmPR10基因的表达。转基因试验和病原菌生长抑制实验进一步证明，ZmPR10蛋白能够抑制病原菌的生长和入侵，从而正调控玉米的抗病性。
图4. ZmDi19的靶标基因ZmPR10正调控抗病性
基于以上研究结果，研究团队提出了ZmCPK39介导的玉米广谱数量抗性工作模型。在抗病自交系中，病原菌诱导ZmCPK39低表达，减缓了ZmCPK39对ZmDi19的磷酸化和降解作用，使得ZmDi19大量富集并促进病情相关蛋白ZmPR10的表达，从而表现出广谱抗病。而在感病自交系中，病原菌诱导ZmCPK39高表达，促进ZmCPK39对ZmDi19的磷酸化和降解，ZmDi19的减少导致ZmPR10表达降低，从而使植物感病。
图5. ZmCPK39广谱抗病的工作模型
中国农业大学徐明良课题组博士后 朱芒 为第一作者，徐明良 教授为通讯作者。课题组 钟涛 博士（现为北卡州立大学博士后）和博士生 郭晨煜、张晓辉、刘玉琳 提供了大量的支持；中国农业大学生物学院 徐凌 教授和吉林省农科院 张艳 研究员为本项目的成功奠定了坚实的基础；云南省农科院 番兴明 研究员、蒋辅燕 博士，以及保山市农科院高级农艺师 李琰聪、谢志坚、刘婷婷 提供了试验材料和田间管理；美国北卡州立大学 Peter Balint-Kurti 提供了宝贵的意见和见解。此外，辽宁省农科院 姜敏 研究员和西北农林科技大学 杨琴 教授在田间大斑病和小斑病接种鉴定方面提供了重要的帮助。该研究得到农业生物育种重大项目2030、国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。
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