发表Nature子刊后，河南农业大学该团队又在一区top期刊（IF=9.3）发表成果，揭示玉米生长和抗病平衡调控新机制
学术
2024-10-26 14:01
法国
近日，河南农业大学农学院玉米生物技术团队苟明月教授课题组在国际著名学术期刊《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表了题为“Regulation of maize growth and immunity by ZmSKI3‐mediated RNA decay and post‐transcriptional gene silencing”的研究论文。该研究发现玉米的生长和抗病性受到转录、mRNA降解和转录后基因沉默（PTGS）三个层次的精细调控，揭示了实现玉米生长和抗病平衡的新策略。苟明月教授课题组主要从事玉米抗病、细胞壁合成及生长发育调控机制研究与分子育种工作，近年来在玉米广谱抗病性及抗性与生长平衡研究中取得重要进展。在Nature Plants、Nature Communications、Plant Cell、EMBO Journal、Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Journal、Plant Physiology、Journal of Experimental Botany、The Crop Journal等期刊发表论文30余篇，论文被引用2100余次。多种病害的并发严重影响了玉米的安全生产，成为提高玉米产量和质量的主要障碍。因此，识别和利用抗病基因以改善玉米的抗病能力是玉米遗传改良的关键目标之一。然而，由于生长和抗病之间存在着相互制约的关系，导致抗病性增强的同时往往伴随着产量下降或不增产的问题，这使得许多有效的抗病基因难以得到实际应用。鉴于此，寻找能够同时促进玉米生长和提高其抗病性的调控因子，并深入理解其作用机理显得尤为重要。外切体exosome和SKI复合体构成的核糖核酸酶复合物负责成熟mRNA的降解，对于维持生物体内转录与翻译的平衡至关重要。ZmSKI3作为玉米SKI复合体的一个组成部分，本研究发现其功能丧失的突变体呈现出籽粒缩小和植株矮化的特点。值得注意的是，Zmski3突变体对弯孢菌叶斑病表现出更强的抵抗力，而ZmSKI3过表达的转基因植物则更容易感染弯孢菌叶斑病和小斑病（图1）。这些发现暗示ZmSKI3在促进玉米生长的同时，也对其抗病性产生负面影响，是调节玉米生长与抗病平衡的关键分子。图1 ZmSKI3基因突变和过量表达对玉米生长和抗病性的影响 为了进一步探讨ZmSKI3如何影响玉米的生长和抗病性，研究者进行了转录组分析，结果显示抗病防御路径中的基因在Zmski3突变体中上调表达，而与生长发育相关的基因则下调表达，这与突变体表现出的抗病性和生长发育特征相吻合。进一步的分析发现，有223个基因在突变体中上调表达，而在过表达材料中则下调表达，这些基因可能就是ZmSKI3的作用对象。mRNA降解实验进一步证实，多个mRNA底物在Zmski3突变体中的降解速度明显减缓，表明ZmSKI3确实参与了玉米中尤其是抗病相关mRNA的降解过程（图2）。已有研究指出，mRNA的异常累积可触发PTGS，导致相应mRNA水平的下调。本研究通过siRNA测序发现，突变体中针对190个基因转录本的siRNA显著增加，而针对102个基因转录本的siRNA则显著减少。功能注释分析显示，190个基因主要集中在抗病防御途径，而102个基因则多与生长发育有关（图2）。这表明，在Zmski3突变体中，生长和抗病防御相关基因经历了不同的PTGS调控，有效避免了免疫基因的过度激活和生长基因的过度抑制，从而达到了玉米生长与抗病性的协调统一。图2 Zmski3突变体的转录组、RNA降解及siRNA测序分析 综上，本研究揭示了玉米生长与抗病性受到转录调控、ZmSKI3介导的RNA降解以及PTGS三个层面的调控机制（图3）。这项工作不仅为通过基因编辑等技术精确调控玉米生长与抗病平衡提供了新的目标基因，也为实现玉米抗病性和产量的同步提升开辟了新的途径。 农学院在读博士生高洁为论文的第一作者，农学院玉米生物技术团队青年教师李见坤、汤继华教授和苟明月教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省杰出青年科学基金、河南省重点研发计划等项目的资助。
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