Plant Com | Lr34/Yr18/Sr57/Pm38通过运输芥子醇实现小麦细胞壁木质化，从而获得对真菌病害的广谱抗性
文摘
2024-10-06 21:41
陕西
近期，华中农业大学植物科学技术学院小麦改良创新团队发表在Plant Communications 中题为“Lr34/Yr18/Sr57/Pm38 confers broad-spectrum resistance to fungal diseases via transport of sinapyl alcohol for cell wall lignification in wheat”的研究论文揭示了Lr34/Yr18/Sr57/Pm38 通过运输芥子醇，导致小麦叶片细胞壁增厚，从而对多种病原菌发挥抗性，且甲基转移酶基因TaCOMT-3B可与Lr34/Yr18/Sr57/Pm38 互作提升小麦抗病性。![]()
本研究利用一对近等基因系(Avocet+Lr34和Avocet)和两个独立突变系(m19和m21)研究了小麦与Lr34基因相关的广谱抗性机制。Lr34res和Lr34sus是天然小麦群体中存在的两个等位基因。Avocet+Lr34和Avocet系列分别携带Lr34res和Lr34sus。两个突变系m19和m21，对应的耐药系分别被命名为m19 r-sib和m21 r-sib。携带Lr34抗性等位基因的品种（Avocet+Lr34、m19 r-sib、m21 r-sib）在成株阶段表现出抗病性，而缺乏Lr34抗性等位基因的品种（Avocet、m19、m21）则高度感病。与其在成熟期的作用一致，qRT-PCR显示Lr34res在孕穗期的表达水平高于其他植物生长时期。病害试验表明，携带Lr34res的品系只有0.69% - 0.81%的叶片面积成功渗透。相比之下，缺乏Lr34res的品系病菌成功渗透的比例显著增加，达到1.9% - 2.6%。细胞壁的显微镜观察显示，在孕穗期，携带Lr34res的品系细胞壁明显比携带Lr34sus和两个Lr34突变体(m19和m21)的品系厚。从苗期到孕穗期，Lr34res使细胞壁厚度增加了约30%，而缺乏Lr34res的品系细胞壁厚度没有增加。这些发现有力地支持了Lr34res通过增加细胞壁厚度来显著增强穿透性和阻止病原体入侵。![]()
为了探索Lr34介导的抗病机制，我们在m19 r-sib和m19品系的启动阶段进行了转录组分析。研究表明木质素、水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)是苯丙氨酸代谢途径的下游产物。与m19 r-sib相比，m19 Lr34突变体中木质素生物合成途径中的大多数基因以及SA和JA信号通路在很大程度上受到抑制。木质素化学染色进一步显示，与不携带Lr34res的小麦品系相比，携带Lr34res的小麦品系叶片切片的染色面积显著增加(25%至48%)。因此，携带Lr34res的小麦品系细胞壁增厚可能归因于木质素含量的增加。因此，Lr34的缺失可能通过介导细胞壁中新叶醇含量而影响木质素的生物合成。![]()
多项研究表明，ABC转运蛋白通过转运物质参与抗逆性。为了探索芥子醇是否可能成为Lr34的底物，我们采用了化学处理方法。通常观察到ABC转运蛋白的表达上调反应底物治疗，测量芥子醇处理后植物的生长情况、Lr34基因的表达水平、接种后感病情况、测量植物中病原体积累情况。Lr34突变体对芥子醇的生长抑制作用比野生型品种更敏感。芥子醇处理可以诱导Lr34的表达，降低Lr34突变体中的病原体积累，增强其抗性。Lr34突变体对芥子醇高度敏感，芥子醇可能与Lr34介导的抗病性有关。![]()
Lr34蛋白具有两个高度保守的核苷酸结合和跨膜结构域，这表明它可能是一种 ABC 转运蛋白。使用 AlphaFold 2 预测了Lr34蛋白的结构，并发现 Lr34res 和 Lr34sus 均具有潜在的芥子醇结合位点。在酵母实验中，Lr34res 和 Lr34sus 蛋白能够克服酵母双突变体对芥子醇的敏感性，而突变体蛋白 m19 和 m21 则无法，这进一步证实了 Lr34 蛋白与芥子醇的相互作用。使用放射性标记的芥子醇对小麦幼苗进行化学处理，发现 Lr34res 蛋白能够促进芥子醇的积累，而突变体蛋白 m19 和 m21 则无法，Lr34蛋白在植物中具有芥子醇的转运功能。表达 Lr34res 和 Lr34sus 蛋白的酵母细胞能够有效地将芥子醇释放到细胞外，而表达突变体蛋白 m19 和 m21 的酵母细胞则无法。突变体蛋白 m19 和 m21 导致小麦对芥子醇的敏感性增加，Lr34res 蛋白能够减轻这种敏感性。在小麦幼苗中，Lr34res 蛋白的表达水平受到芥子醇的诱导，并且芥子醇能够增强 Lr34res 蛋白介导的抗病性。这些研究结果表明，Lr34蛋白是一种重要的芥子醇转运蛋白，它能够将芥子醇从细胞内转运到细胞外，从而促进细胞壁木质化，增强植物的抗病性。![]()
TaCOMT-3B 蛋白编码一种咖啡酸 3-O-甲基转移酶，在芥子醇的生物合成中发挥重要作用。在体外酶学实验中，TaCOMT-3B蛋白能够将 5-羟基咖啡酸转化为芥子酸，TaCOMT-3B蛋白具有咖啡酸 3-O-甲基转移酶的活性。在 FoMV 介导的基因表达实验中，TaCOMT-3B 蛋白的过表达导致小麦叶片中芥子醇含量的显著增加，而咖啡醇和邻羟基苯甲醇的含量没有变化，证实了 TaCOMT-3B 蛋白是芥子醇合酶。使用VIGS沉默 TaCOMT-3B 蛋白的表达，导致小麦叶片中芥子醇和木质素含量的显著降低，并且植物对白粉病的抗性下降。TaCOMT-3B 蛋白是芥子醇合酶，它能够催化芥子醇的生物合成，并且参与细胞壁木质化，增强植物的抗病性。![]()
Lr34 基因的表达水平在小麦的分蘖期达到最高，这与 Lr34 基因介导的抗病性在成熟阶段发挥作用相一致。TaCOMT-3B 基因的表达水平在小麦的分蘖期也较高， TaCOMT-3B 基因在植物抗病性中发挥重要作用。使用自然小麦种群和双亲群体，分析了 Lr34 基因和 TaCOMT-3B 基因的基因型组合与条锈病抗性的关系，携带 Lr34res 和 TaCOMT-3Ba 基因型的品种比携带 Lr34res 或 TaCOMT-3Ba 基因型的品种具有更高的芥子醇含量和木质素含量，并且对条锈病的抗性更强。在双亲群体中，同时携带 Lr34res 和 TaCOMT-3Ba 基因型的杂交种比单独携带 Lr34res 或 TaCOMT-3Ba 基因型的杂交种具有更高的条锈病抗性。因此，Lr34 基因和 TaCOMT-3B 基因通过协同作用，共同增强植物对条锈病的抗性。![]()
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