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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:
- 将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-4A、TaLOX-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
- 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)。
- 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)。
- 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
- 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。
- 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)。
- 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)