2024年9月19日，中国农业大学植物保护学院朱旺升团队在Molecular Plant 发表了题为“Natural variations of maize ZmLecRK1 determine its interaction with ZmBAK1 and resistance patterns to multiple pathogens”的研究论文。该研究基于玉米全基因组关联分析获得贡献玉米腐霉茎腐病、纹枯病和小斑病抗性的广谱抗病基因ZmLecRK1。ZmLecRK1编码的凝集素类受体激酶，与共受体ZmBAK1形成复合体介导免疫信号传递，并鉴定了抗感单倍型的关键氨基酸变异A404S，发现在玉米祖先种大刍草和其他禾本科植物中，该位点均为感病单倍型S404，而抗病单倍型A404仅存在于部分玉米自交系中。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.09.006
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研究背景
玉米是我国主要粮饲油兼用作物，但是在生长过程中往往同时受到多种病原菌侵染，如腐霉菌和镰刀菌单独或复合侵染导致玉米茎腐病；立枯丝核菌侵染导致玉米纹枯病；玉蜀黍平脐蠕孢菌侵染导致玉米小斑病等导致品质及产量严重下降。因此，挖掘新的广谱抗病基因并解析其分子功能对抗病育种和品种遗传改良是至关重要的。
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研究内容
图1 ZmLecRK1贡献玉米广谱抗病性
模式识别受体通常和共受体形成复合体激活免疫反应，但是G型LecRKs与共受体激酶如何激活下游免疫信号还未有人报道。作者通过IP-MS筛选到ZmLecRK1互作蛋白ZmBAK1，在zmbak1敲除转基因玉米中ZmLecRK1Qi319不能触发的细胞死亡，同时田间试验发现zmbak1对腐霉茎腐病、纹枯病及小斑病抗病性明显减弱。通过生化实验表明ZmLecRK1Qi319与ZmBAK1互作强度高于ZmLecRK1TY4与ZmBAK1，且ZmBAK1特异性增强ZmLecRK1Qi319自身互作强度，BN-PAGE实验表明ZmLecRK1Qi319形成复合体能力远强于ZmLecRK1TY4。并发现病原菌和真菌几丁质处理能显著增强ZmLecRK1和ZmBAK1的互作强度。
图2 ZmLecRK1-ZmBAK抗病模块的工作模型
综上，该研究鉴定了一个玉米广谱抗病基因ZmLecRK1，其编码蛋白与共受体ZmBAK1形成复合体促发下游免疫反应，并且鉴定了决定该抗病基因功能的自然变异位点，该位点可以影响ZmLecRK1与共受体ZmBAK1形成复合体的能力，为通过碱基编辑精确靶标该位点来调节ZmLecRK1及其同源蛋白的功能培育作物抗病品种提供了重要理论基础。
作者简介
中国农业大学植植物保护学院博士生李振菊、陈俊斌博士和刘闯博士为论文共同第一作者，玉米生物育种全国重点实验室/中国农业大学植物保护学院朱旺升教授为通讯作者。课题组博士毕业生王明玉博士（现浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所副研究员）、崖州湾国家实验室王磊博士、中国农业大学植物保护学院Vijai Bhadauria教授、王世维博士、彭友良教授和中国农业大学玉米中心杨小红教授、徐明良教授等人参与了该工作。感谢马普生物研究所（图宾根）Detlef Weigel教授、华中农业大学李博教授、华南农业大学梁祥修教授、中国农业大学毕国志教授、徐光远副教授、徐宁副教授、张鑫副教授和三位审稿人提供的宝贵建议。感谢南京农业大学窦道龙教授提供的Pythium aphanidermatum菌株和烟草VIGS载体、中国农大陈旭君教授提供的Rhizoctonia solani菌株、中国农业科学院刘文德研究员提供的Bipolaris maydis菌株、段灿星研究员提供的Fusarium graminearum菌株、山东大学王官峰教授提供的Rp1-D21载体和中国农大于菲菲教授提供的高粱基因组DNA。该研究得到了生物育种-国家科技重大专项、国家重点研究发展计划、国家自然科学基金和拼多多-中国农业大学科研基金的资助。
Reference
Liu C, He SF, Chen JB, Wang MY, Li ZJ, Wei LY, Chen Y, Du MD, Liu DD, Li C, An CJ, Bhadauria V, Lai JS, Zhu WS*. A dual-subcellular localized β-glucosidase confers pathogen and insect resistance without a yield penalty in maize. Plant Biotechnology Journal. 2024, 22, 1017–1032
