该研究由Liang Ma、Yali Sun、Xinsen Ruan等来自南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室、美国德州农工大学植物病理与微生物学系以及东北农业大学农学院的研究团队合作完成，研究成果于2021年1月16日发表在《International Journal of Molecular Sciences》期刊（2021, 22, 870），标题为《Genome-wide characterization of jasmonates signaling components reveals the essential role of ZmCOI1a-ZmJAZ15 action module in regulating maize immunity to Gibberella stalk rot》。

学术背景

该研究聚焦植物激素信号转导领域，针对玉米茎腐病（Gibberella stalk rot, GSR）这一全球性病害展开。由禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）引起的GSR每年造成玉米产量重大损失，而传统化学防治手段效果有限。茉莉酸类物质（Jasmonates, JAs）作为植物防御反应的核心调控因子，通过COI1-JAZ-MYC功能模块参与抗病过程。然而，不同JA分子种类（如JA前体12-OPDA与活性形式JA-Ile）以及COI1-JAZ-MYC模块各成员在玉米-镰刀菌互作中的特异性功能尚不明确。研究团队旨在揭示JA信号通路关键组分在玉米抗GSR中的作用机制，特别是阐明ZmCOI1a-ZmJAZ15功能模块的分子机制。

研究流程

1. 外源MeJA处理与抗性表型分析

• 实验设计：对两周龄B73玉米幼苗喷施100 μM MeJA（茉莉酸甲酯），12小时后接种禾谷镰刀菌孢子（1×10⁶/mL），以0.1%丙酮处理为对照。
• 表型评估：接种后3-4天按1-5级标准记录病害严重度（1级最抗病，5级最感病）。LC-MS/MS检测感染后不同时间点（24-72 hpi）内源JA、12-OPDA和JA-Ile含量变化。
• 关键发现：外源MeJA显著降低病害等级（级），而内源JA和JA-Ile在感染72 hpi才显著积累，12-OPDA则在24 hpi即快速上升，暗示早期抗性可能依赖JA非依赖性途径。

2. 转录组分析与基因筛选

• RNA-seq实验：对MeJA处理的玉米茎组织进行测序（Illumina HiSeq 2000），设置6 h和24 h两个时间点，每个时间点3个生物学重复。
• 数据分析：使用HISAT2比对B73参考基因组（RefGen_v4），DESeq2筛选差异表达基因（DEGs）。GO富集分析显示，JA生物合成（如LOX10、AOC1/2）、信号通路（JAZ5/10/18/24）及SA途径相关基因（PR1/5、PAL1）被显著激活。
• 创新点：首次系统鉴定出玉米中6个ZmCOI和30个ZmJAZ基因家族成员（基于B73 v4.0基因组），比既往研究多发现2个COI和7个JAZ成员。

3. 蛋白互作网络验证

• 酵母双杂交（Y2H）：构建19个ZmJAZs与6个ZmCOIs的BD/AD融合载体，在含20 μM冠菌素（coronatine, COR）的培养基中发现ZmCOI1a特异性与ZmJAZ1/3/5/10/13/15/18结合。
• 分裂荧光素酶（Split-Luc）：在烟草中验证ZmCOI1a-ZmJAZ1/15/18互作，而ZmJAZ5无互作信号。
• Pull-down实验：GST-ZmJAZ15与MBP-ZmCOI1a在200 nM COR存在下形成稳定复合物。点突变实验证实ZmCOI1a第388位丙氨酸（A388V）和ZmJAZ15的CCT结构域（Q323I）为互作关键位点。

4. 基因编辑与功能验证

• CRISPR-Cas9突变体构建：
  • ZmCOI1a突变体：靶向F-box结构域和外显子区域，获得3个等位突变体（06086、06087、08166）。根长抑制实验显示突变体对JA敏感性降低（根长减少59.3% vs WT的69.9%）。
  • ZmJAZ15突变体：靶向CCT结构域，获得08591（8 bp缺失）和08592（1 bp插入）纯合突变体。
• 抗病表型：ZmCOI1a突变体表现增强抗性（病害等级集中于2级），而ZmJAZ15突变体更感病（>3级）。qRT-PCR证实突变体中靶基因表达量下降25-75%。

5. JA缺陷型突变体分析

• opr7-5opr8-2双突变体：JA合成缺陷导致对GSR抗性增强，与单突变体opr8-2表型一致，表明内源JA可能作为感病因子促进病害发展。

主要结果与逻辑关联

1. 外源MeJA诱导抗性：通过转录组发现JA信号通路激活，但内源JA积累滞后于抗性表现，提示12-OPDA或9-LOX途径可能起主导作用。
2. ZmCOI1a-ZmJAZ15模块鉴定：Y2H与Pull-down实验确立其为核心互作对，COR作为配体触发复合物形成。
3. 遗传证据矛盾性：ZmCOI1a突变增强抗性而ZmJAZ15突变增加感病性，结合JA缺陷型突变体表型，表明JA信号通过该模块负调控抗性，但外源MeJA可能通过非经典途径（如SA或12-OPDA）激活防御。

结论与价值

1. 科学价值：首次揭示ZmCOI1a-ZmJAZ15模块在玉米-GSR互作中的核心作用，提出JA信号的双重角色——内源JA促进感病，而外源MeJA可能通过非JA途径诱导抗性。
2. 应用价值：为玉米抗病育种提供新靶点（如编辑JAZ15增强抗性），并为开发基于JA信号调控的生态防控策略奠定理论基础。
3. 理论创新：挑战传统JA抗病范式，提出”病原菌劫持COI1-JAZ模块”假说，即禾谷镰刀菌可能利用JA信号抑制宿主免疫。

研究亮点

1. 系统性：整合基因组学（30个JAZs）、蛋白质互作组（Y2H+Split-Luc+Pull-down）和遗传学（CRISPR突变体）多维证据。
2. 技术革新：开发玉米COI1-JAZ互作的高通量筛选体系，首次在单子叶植物中验证COR依赖性互作。
3. 发现矛盾性：外源MeJA抗性与内源JA促病的表型悖论，暗示植物-病原互作的激素调控复杂性。

其他有价值内容

• 交叉通路调控：发现MeJA激活SA途径基因（PR1/5、PAL1）和萜烯合成酶（TPS7），为JA-SA协同抗病提供新线索。
• 进化视角：玉米COI1s（6个）和JAZs（30个）的基因家族扩张，可能赋予单子叶植物更灵活的JA信号调控能力。