分享自:

小麦中TaSTT3b-2b的过表达提高对纹枯病的抗性并增加粒重

期刊:Plant Biotechnology JournalDOI:10.1111/pbi.13760

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告:


小麦抗纹枯病与粒重调控新基因的发现与功能解析

作者及单位
本研究由Xiuliang Zhu(第一作者)和Zengyan Zhang(通讯作者)领衔,团队成员来自中国农业科学院作物科学研究所(Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Triticeae Crops)和江苏省农业科学院(Jiangsu Academy of Agricultural Sciences)。研究成果于2021年11月28日被Plant Biotechnology Journal(2022年20卷,777-793页)接收,DOI: 10.1111/pbi.13760。


学术背景

研究领域与科学问题
纹枯病(Sharp eyespot)是由立枯丝核菌(*Rhizoctonia cerealis*)引起的全球性小麦病害,导致茎基腐烂和减产。传统化学防治易引发抗药性,而抗病育种因缺乏明确靶基因进展缓慢。同时,小麦粒重(Grain weight)是产量的关键因素,但其与抗病性的协同调控机制尚不明确。

科学基础
STT3(Staurosporine and temperature sensitive3)是寡糖基转移酶(Oligosaccharyltransferase, OST)的核心催化亚基,参与蛋白质N-糖基化修饰。此前研究显示,拟南芥STT3A通过调控免疫受体激酶(如BAK1/SERK4)影响抗病性,但STT3B的功能未知。此外,茉莉酸(Jasmonic acid, JA)信号通路在植物抗坏死性病原体中起核心作用,但其与粒重的关系鲜有报道。

研究目标
1. 鉴定小麦STT3基因家族成员,解析其抗纹枯病功能;
2. 揭示TaSTT3B-2B通过JA通路协同调控抗病性与粒重的分子机制;
3. 为小麦分子育种提供新靶点。


研究流程与实验设计

1. 基因鉴定与表达分析

  • 对象:5个小麦品种(抗病型CI12633、Shanhongmai;感病型Yangmai 158、Zhoumai 18、Wenmai 6)。
  • 方法
    • 通过同源比对从小麦基因组中鉴定出TaSTT3A(1A/1B/1D)和TaSTT3B(2A/2B/2D)亚型。
    • qRT-PCR分析发现TaSTT3B-2B在抗病品种中表达显著上调,且受JA诱导。
  • 技术亮点:利用小麦基因组数据库(IWGSC)和跨物种保守性分析确认基因功能。

2. 基因功能验证

  • 病毒诱导基因沉默(VIGS)
    • 构建BSMV:TaSTT3B载体,接种小麦后,沉默效率达86-90%。
    • 沉默TaSTT3B-2B的小麦病斑面积扩大1.8倍(1.73 cm² vs 0.68 cm²),抗性显著降低。
  • 过表达转基因小麦
    • TaSTT3B-2B转入感病品种Zhoumai 18,获得3个稳定株系(OX49/OX74/OX89)。
    • 田间试验显示,转基因株系病指降低30-50%(如北京2018年:76.96→38.50),粒重增加10-15%。

3. 分子机制解析

  • 转录组分析(RNA-seq)
    • 鉴定2264个差异基因(DEGs),包括27个GDSL-like lipase(GLIP)和21个脂氧合酶(LOX)基因。
    • JA合成通路基因(如TaAOS-4ATaLOX-5D)在转基因株系中显著上调。
  • JA功能验证
    • 外源JA处理恢复沉默植株的抗性,而JA合成抑制剂(DIECA)削弱转基因株系的抗性。
    • JA含量测定显示,转基因株系JA水平比野生型高2-3倍。

4. 粒重调控机制

  • 关键基因:淀粉合成酶(TaSSIIa)、蔗糖合成酶(TaSUS1)在转基因株系中表达上调。
  • 表型关联:高表达TaSTT3B-2B的小麦品种(千粒重>50 g)粒长、粒宽显著增加。

主要结果与逻辑链条

  1. TaSTT3B-2B与抗病性正相关
    • 表达模式:抗病品种中高表达,受病原菌和JA诱导(图1a-b)。
    • 功能证据:沉默后病斑扩大,过表达后病指降低(图2c-f,图3e-i)。
  2. JA通路的核心作用
    • 转录组显示JA合成基因(如LOX、AOS)上调(图6b)。
    • JA处理可挽救沉默植株的抗性(图7b-c),DIECA抑制抗性(图7d-e)。
  3. 粒重增加的分子基础
    • 淀粉/蔗糖代谢基因(如TaSSIIa、TaSUS1)表达增强(图5g)。
    • 外源JA同样激活这些基因(图5h),表明JA是粒重调控的媒介。

结论与价值

科学意义
1. 首次揭示STT3B通过JA通路协同调控抗病性与粒重,拓展了OST复合体的功能认知。
2. 提出“抗病-产量”协同调控的新模型:TaSTT3B-2B→JA↑→防御基因激活+淀粉合成增强。

应用价值
- TaSTT3B-2B可作为分子标记用于抗病高产小麦育种。
- 外源JA或基因编辑靶向该通路有望实现病害绿色防控。


研究亮点

  1. 创新性发现
    • 首个报道STT3B在植物免疫中的功能,且与产量性状关联。
    • 解析JA介导的“抗病-粒重”交叉调控机制。
  2. 方法学优势
    • 结合VIGS、转基因、多地点田间试验(北京/南京,3年重复)。
    • 采用ddPCR精准检测转基因拷贝数(图3b)。
  3. 跨学科价值
    • 链接蛋白质糖基化修饰(细胞生物学)、JA信号(分子生物学)与农艺性状(育种学)。

其他重要内容

  • 进化分析:TaSTT3B与大麦(*Hordeum vulgare*)同源基因亲缘最近(图1d),暗示功能保守性。
  • 潜在应用局限:需在不同生态区验证转基因株系的稳定性,并评估JA处理的成本效益。

(全文共约2000字,涵盖研究全貌与细节)

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com