河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院茍明月教授課題組發(fā)現(xiàn)玉米生長和抗病平衡調(diào)控新機制
時間：2024-11-08 13:36 來源：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
本網(wǎng)訊（通訊員 徐莉萍）近日，農(nóng)學(xué)院玉米生物技術(shù)團隊茍明月教授課題組在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Journal of Integrative Plant Biology》在線發(fā)表了題為“Regulation of maize growth and immunity by ZmSKI3‐mediated RNA decay and post‐transcriptional gene silencing”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)玉米的生長和抗病性受到轉(zhuǎn)錄、mRNA降解和轉(zhuǎn)錄后基因沉默（PTGS）三個層次的精細調(diào)控，提出了實現(xiàn)玉米生長和抗病平衡的新策略。
時間：2024-11-08 13:36 來源：河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 多種病害的交互發(fā)生嚴重危害玉米的安全生產(chǎn)，是產(chǎn)量和品質(zhì)提升的主要限制因素。因此，挖掘抗病基因，并利用其改良玉米抗病性是玉米遺傳育種的重要目標(biāo)。然而，由于生長與抗病性間存在拮抗作用，常出現(xiàn)作物抗病但不高產(chǎn)甚至減產(chǎn)的現(xiàn)象，使得眾多抗病基因難以得到有效利用。在此背景下，挖掘介導(dǎo)玉米生長與抗病平衡的調(diào)控因子并解析其調(diào)控機制具有重要意義。
外切體exosome和SKI復(fù)合體組成的切割體復(fù)合物負責(zé)成熟mRNA的降解，在生物體維持轉(zhuǎn)錄和翻譯平衡的過程中發(fā)揮著重要作用。ZmSKI3是玉米SKI復(fù)合體的一個亞基。該研究發(fā)現(xiàn)Zmski3功能缺失突變體表現(xiàn)出籽粒變小和植株矮化的現(xiàn)象。Zmski3突變體對彎孢葉斑病的抗性明顯增強，而過表達ZmSKI3的轉(zhuǎn)基因材料更感彎孢葉斑病和小斑病。這些結(jié)果表明ZmSKI3正調(diào)控玉米的生長而負調(diào)控抗病性，是協(xié)同調(diào)控玉米生長和抗病性的重要因子。
為了解析ZmSKI3介導(dǎo)生長和抗病性的內(nèi)在機制，該研究利用轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)抗病防御通路的基因在Zmski3突變體中顯著上調(diào)表達，而生長發(fā)育相關(guān)基因在突變體中顯著下調(diào)表達，這些結(jié)果與Zmski3突變體抗病性增強和生長發(fā)育受阻的表型相符。此外，通過對Zmski3突變體和過表達材料的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，223個基因在突變體中顯著上調(diào)而在過表達株系中顯著下調(diào)表達。這些基因編碼的mRNA可能是ZmSKI3的潛在調(diào)控底物。通過mRNA降解實驗發(fā)現(xiàn)，該研究發(fā)現(xiàn)多個底物mRNAs的降解速率在Zmski3突變體中顯著變慢，證明ZmSKI3介導(dǎo)了玉米mRNAs特別是防御相關(guān)mRNA的降解。
已有的研究表明，mRNA的異常積累通常會引起轉(zhuǎn)錄后的基因沉默（post‐transcriptional gene silencing，PTGS），進而一定程度下調(diào)過度積累的mRNAs。本研究利用siRNA測序，發(fā)現(xiàn)在突變體中靶向190基因轉(zhuǎn)錄本的siRNA顯著增加，而靶向102個基因轉(zhuǎn)錄本的siRNA顯著減少。對這些基因進行GO分析發(fā)現(xiàn)，190個基因主要富集在抗病防御途徑，而102個基因主要富集在生長發(fā)育途徑。這些結(jié)果表明，在Zmski3突變體中生長與抗病防御相關(guān)基因受到PTGS的差異化調(diào)控，防止免疫相關(guān)基因表達被過度激活而生長相關(guān)基因表達被過度抑制，從而實現(xiàn)玉米生長和抗病的平衡。
綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)玉米的生長和抗病受到轉(zhuǎn)錄調(diào)控、ZmSKI3介導(dǎo)的RNA降解調(diào)控以及轉(zhuǎn)錄后基因沉默（PTGS）三個層次的調(diào)控。該研究也為利用基因編輯等手段精細調(diào)控玉米生長和抗病平衡提供了新的靶標(biāo)基因，為實現(xiàn)玉米抗病與產(chǎn)量協(xié)同提升提供了新策略。
農(nóng)學(xué)院在讀博士生高潔為論文的第一作者，農(nóng)學(xué)院玉米生物技術(shù)團隊青年教師李見坤、湯繼華教授和茍明月教授為論文通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、河南省杰出青年科學(xué)基金、河南省重點研發(fā)計劃等項目的資助。
茍明月教授課題組主要從事玉米抗病、細胞壁合成及生長發(fā)育調(diào)控機制研究與分子育種工作，近年來在玉米廣譜抗病性及抗性與生長平衡研究中取得重要進展。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等期刊發(fā)表論文30余篇，論文被引用2100余次。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.13780
