灰斑病、大斑病和小斑病是三种严重的玉米叶部病害，对玉米产量构成极大威胁。在我国西南和东北玉米产区，灰斑病和大斑病普遍发生，是最为严重的玉米叶部病害。近年来，在黄淮海和华北玉米产区，小斑病的发生逐年加重。尽管目前针对这三种病害的抗病基因分别被克隆，但同时抗多种病害的基因报道较少。因此，筛选具有广谱抗性的种质资源、克隆广谱数量抗病基因、解析植物广谱数量抗性的分子机理，对于抗病分子育种和培育广谱抗病新品种具有重要的意义。
2024年11月4日，中国农业大学徐明良团队在Nature Genetics在线发表了篇题为The ZmCPK39-ZmDi19-ZmPR10 immune module regulates quantitative resistance to multiple foliar diseases in maize的研究论文。该研究在抗病基因ZmCPK39克隆的基础上，系统解析了玉米在响应病原菌、免疫信号传递、防御物质生成等过程中的分子机制。这一研究极大丰富了人们对植物广谱数量抗性分子机理的认识，为抗病分子育种提供了重要的范例和宝贵的基因资源。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作用，同时对大斑病和小斑病也展现出一定的抗性。经过多年的连续精细定位和转基因功能验证，最终确定该位点的功能基因为编码钙依赖蛋白激酶的基因ZmCPK39。
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图1：qRgls2同时抗灰斑病、大斑病和小斑病
ZmCPK39负调控抗病性。进一步研究发现，ZmCPK39能够磷酸化转录因子ZmDi19，并促进其通过26S蛋白酶体途径降解。通过组学分析，鉴定到ZmDi19调控的靶标基因ZmPR10。ZmDi19可以结合ZmPR10基因的启动子并促进其表达，从而抑制病原菌的生长和侵入，赋予玉米对多种病原菌的广谱抗性。此外，该研究还发现在杂交种中敲除ZmCPK39的一个拷贝可以显著增强灰斑病抗性，在病害发生条件下减少产量损失10%左右，而在正常条件下不影响玉米产量。
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图2：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帮助；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也给予了重要帮助。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。
