多种病害的发生会使玉米等作物的产量受到严重影响,因此抗病、高产是作物遗传育种的重要目标。随着众多抗病基因被克隆,利用分子手段进行作物抗病性改良具有良好的应用前景。然而,由于生长与免疫间存在拮抗作用,抗病基因难以得到有效利用,常出现作物抗病但不高产甚至减产的现象。因此,对抗病与生长平衡调控机制的研究有望打破这一育种障碍,最终实现玉米等作物的抗病性与产量协同提升。
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JIPB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 (https://doi.org/10.1111/jipb.13780),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)三个层次的精密调控,提出了实现玉米生长和抗病平衡的新策略。
在植物生长发育过程中,mRNA含量需要维持在适当水平,由外切体exosome和SKI复合体组成的切割体复合物主要负责细胞质中mRNA的3’-5’降解。其中,SKIs复合体由SKI2、SKI3和SKI8三种不同的亚基组成。该研究发现玉米ZmSKI3基因的功能缺失突变体表现出籽粒变小和植株矮化表型,暗示ZmSKI3正调控玉米生长发育。通过接病性鉴定、抗病标志基因表达水平和防御激素含量检测,发现Zmski3突变体对弯孢叶斑病的抗性明显增强,而过表达ZmSKI3转基因材料更感弯孢叶斑病和小斑病,说明ZmSKI3负调控玉米抗病性(图1)。这些结果表明ZmSKI3介导了对玉米生长和抗病性的双重调控作用。
通过转录组分析发现,抗病防御通路的基因在Zmski3突变体中显著上调表达,而光合作用等生长相关基因在突变体中显著下调表达。其中,223个基因在突变体中显著上调而在过表达株系中显著下调表达,这些基因的转录本可能是ZmSKI3的潜在调控底物。通过添加mRNA转录抑制剂虫草素进行mRNA降解实验发现,多个底物mRNAs的降解速率在Zmski3突变体中显著变慢,证明ZmSKI3介导了玉米mRNAs特别是防御相关mRNA的降解(图2)。此外,该研究还利用siRNA测序对siRNA的积累进行了分析。在突变体中积累量显著增加的siRNA靶向了190个基因,这些基因中防御相关基因显著富集。而在突变体中积累量显著减少的siRNA靶向了102个基因,这些基因中与生长相关的基因显著富集(图2)。这些结果表明,在Zmski3突变体中生长与抗病防御相关基因受到PTGS的差异化调控,防止免疫系统被过度激活和生长相关基因表达被过度抑制,从而实现玉米生长和抗病的平衡。
图2. Zmski3突变体的转录组、RNA降解及siRNA测序分析
图3. 玉米生长和抗病平衡受到三个层次的精细调控
河南农业大学农学院在读博士生高洁为论文的第一作者,河南农业大学农学院玉米生物技术团队李见坤副教授、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、河南省重点研发计划及河南省科技攻关等项目的资助。
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、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。
文章引用:
Gao, J., Zhang, N., Liu, G., Tian, J., Chen, M., Wang, Y., Xing, Y., Zhang, Y., Zhao, C., Mu, X., et al. (2024). Regulation of maize growth and immunity by ZmSKI3-mediated RNA decay and post-transcriptional gene silencing. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13780
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