玉米抗丝黑穗病数量性状位点qhsr1的图位克隆与ZmWAK基因功能解析
一、研究团队与发表信息
本研究由来自中国农业大学国家玉米改良中心（National Maize Improvement Centre of China）的Weiliang Zuo、Qing Chao、Nan Zhang等15位作者共同完成，通讯作者为Mingliang Xu教授。研究成果于2014年12月22日在线发表于Nature Genetics期刊（DOI:10.1038/ng.3170）。
二、学术背景与研究目标
科学领域：植物病理学与作物抗病遗传学。
研究背景：
1. 玉米丝黑穗病（head smut）由土壤真菌Sporisorium reilianum引起，导致玉米花序形成黑色孢子堆，造成严重减产。传统抗病育种因缺乏明确抗性基因而受限。
2. 玉米抗病性多由数量性状位点（QTL, quantitative trait locus）控制，但QTL克隆难度高，此前仅有一个玉米抗病QTL（rcg1）被解析。
3. 研究团队前期在玉米2号染色体长臂定位到一个主效QTL（qhsr1），可降低发病率约25%，但其分子机制未知。
研究目标：
1. 精细定位qhsr1并克隆其候选基因；
2. 解析该基因的抗病分子机制；
3. 探究该基因在玉米驯化与育种中的演化特征。
三、研究流程与方法
1. qhsr1精细定位
- 材料：抗病亲本Ji1037（Mo17背景）与感病亲本Huangzao4（HZ4）构建的回交群体（BC1F1至BC6F1）。
- 方法：
- 开发高密度分子标记（STS1M3-STS3M1区间），筛选140个重组体；
- 通过重组体衍生后代测试策略（recombinant-derived progeny testing）将qhsr1缩小至152 kb区间（HZ4中缺失该区间）。
- 创新点：利用BAC文库测序发现HZ4存在147 kb缺失，解释其感病性。
2. 候选基因鉴定
- 基因筛选：在152 kb区间内鉴定5个候选基因（ZmWAK、ZmHCH、ZmTIF、ZmXA21-1/2），通过表达分析和PAV（presence/absence variation）检测锁定ZmWAK：
- ZmWAK在抗病系中普遍存在，且在幼苗中胚轴（mesocotyl）高表达；
- 其他基因（如ZmXA21-1）与抗性无显著关联。
3. 转基因功能验证
- 互补实验：将Mo17的ZmWAK（含3.9 kb启动子）转入感病杂交种Hi-II，后代发病率降低19.2–42.8%（图2b）；
- RNAi敲除：在抗病系Ji1037中敲低ZmWAK表达，导致抗性丧失（图2e）；
- 关键数据：ZmWAK表达量与抗性呈正相关（图2c, f）。
4. ZmWAK功能表征
- 蛋白结构：ZmWAK编码730个氨基酸的细胞壁关联激酶（wall-associated kinase, WAK），含胞外GUB（galacturonan-binding）、EGF_CA（钙结合表皮生长因子）和胞内激酶结构域（图1d）。
- 亚定位：ZmWAK-GFP融合蛋白定位于质膜（图3a-e）；
- 信号转导：嵌合受体实验（BRI1-ZmWAK）证明其激酶活性依赖的渗透调节功能（图3h-j）。
5. 抗病机制解析
- 时空特异性：ZmWAK在胚轴中高表达，抑制S. reilianum向上生长（图4a-c）；
- 病原监测：通过RNA原位杂交发现ZmWAK在木质部薄壁细胞中表达，包围病原菌富集的韧皮部（图4i-j）；
- 防御响应：激活水杨酸（SA）途径基因（ZmPR1、ZmNPR1），抑制病原生物营养生长（图4f-g）。
6. 演化分析
- PAV调查：在522个玉米自交系和184个玉米野生种（teosinte）中，ZmWAK缺失仅存在于栽培玉米（17.9%），表明其缺失发生于驯化后（表1）；
- 选择压力：激酶结构域（exon 3）在驯化中受到功能约束（Supplementary Fig. 8）。
四、主要研究结果
1. 基因克隆：ZmWAK是qhsr1的功能基因，其缺失或低表达导致感病。
2. 抗病机制：ZmWAK通过胚轴特异性表达，感知病原信号并激活SA途径，阻断病原菌向花序迁移。
3. 应用价值：ZmWAK缺失系（如HZ4）虽感病但农艺性状未受影响，提示抗病育种需平衡基因保留与产量。
五、研究意义
1. 科学价值：首次克隆玉米抗丝黑穗病QTL，揭示WAK家族在空间特异性抗病中的新功能；
2. 育种应用：为分子标记辅助选择（MAS, marker-assisted selection）提供靶点，加速抗病品种培育；
3. 理论创新：提出“时空优化抗性”模型，为其他作物抗病研究提供范式。
六、研究亮点
1. 方法创新：结合图位克隆、转基因互补与PAV分析，突破QTL克隆难点；
2. 机制新颖：发现ZmWAK通过胚轴防御而非直接花序抗性控制病害；
3. 演化视角：解析驯化中抗病基因的丢失与保留动态。
七、其他价值
研究建立的“重组体衍生后代测试”策略（Yang et al., 2012）可推广至其他复杂性状QTL克隆，具有普适性方法论意义。