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ZmHIR3在玉米抗赤霉茎腐病中的重要作用

期刊:Frontiers in Plant ScienceDOI:10.3389/fpls.2021.664733

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玉米抗赤霉病茎腐病机制研究:ZmHIR3基因通过调控细胞死亡和代谢物合成发挥关键作用

一、作者与发表信息
本研究由南京农业大学农学院国家作物遗传与种质创新重点实验室的高喜庆(Xiquan Gao)教授团队主导,合作单位包括东北农业大学农学院。研究团队包括第一作者孙雅丽(Yali Sun)、阮新森(Xinsen Ruan)、王庆(Qing Wang)等9位作者,于2021年5月11日发表在植物科学领域期刊《Frontiers in Plant Science》(DOI: 10.3389/fpls.2021.664733)。

二、学术背景
赤霉病茎腐病(Gibberella stalk rot, GSR)由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)引起,是导致玉米减产的主要病害之一。其抗性为数量性状,受多基因调控。尽管已有部分抗性基因被鉴定(如ZmCCT、ZmAUXRP1),但宿主对镰刀菌侵染不同阶段(早期生物营养阶段和后期坏死营养阶段)的时空分化抗性机制尚不明确。本研究通过整合转录组和代谢组分析,结合遗传学实验,揭示了玉米抗GSR的分子机制,并发现ZmHIR3(Hypersensitive Induced Reaction 3)基因通过调控细胞死亡和次生代谢物合成在抗病中发挥核心作用。

三、研究流程与方法
1. 材料选择与表型分析
- 研究对象:从66个玉米自交系中筛选出抗病系K09和感病系A08,通过幼苗和田间接种实验验证表型稳定性。接种后3天评估病害指数(Disease Symptom Index, DSI),并测量茎部病斑面积。
- 样本量:每组至少10株,3次生物学重复。

  1. 转录组分析

    • 实验设计:在接种后0、6、12、24、48和72小时(hpi)采集茎组织,进行RNA-seq测序(Illumina HiSeq 2000平台)。
    • 数据分析:
      • 差异表达基因(DEGs)鉴定:使用DESeq2软件(FDR < 0.05,|log2FC| ≥ 1)。
      • 共表达网络:通过WGCNA(Weighted Gene Co-expression Network Analysis)构建模块,筛选与镰刀菌生物量显著相关的7个模块(如turquoise和blue模块)。
      • 功能注释:GO和KEGG富集分析揭示DEGs参与的生物过程(如“防御反应”“苯丙烷代谢”)和通路(如“MAPK信号”“谷胱甘肽代谢”)。
  2. 代谢组分析

    • 方法:UPLC-ESI-MS/MS(超高效液相色谱-电喷雾串联质谱)检测接种后6、24、72 hpi的茎组织代谢物。
    • 差异代谢物(DAMs)鉴定:通过MetaboAnalyst 5.0分析,筛选显著变化的代谢物(p < 0.05),如花青素(anthocyanins)和脂类衍生物。
  3. ZmHIR3功能验证

    • 突变体构建:通过EMS诱变获得ZmHIR3功能缺失突变体(B73背景),测序确认突变位点(第二内含子剪接位点G→A突变)。
    • 表型分析:比较突变体与野生型(WT)的GSR抗性及细胞死亡程度(台盼蓝染色)。
    • 亚细胞定位:瞬时转化烟草叶片,通过激光共聚焦显微镜观察ZmHIR3-GFP的质膜定位。
  4. 联合分析

    • 转录-代谢关联:Pearson相关性分析(r > 0.8)筛选与关键代谢物(如petunidin 3-O-glucoside)共表达的基因,发现ZmHIR3与花青素合成高度相关。

四、主要结果
1. 抗感表型与转录组差异
- K09的DSI(50)显著低于A08(88),田间病斑面积小60%(图1)。
- DEGs数量在后期(48–72 hpi)显著增加,抗病系K09中“防御反应”相关基因(如PR蛋白、HIR3)上调更显著(图2)。

  1. 共表达网络与hub基因

    • WGCNA鉴定出7个模块与镰刀菌侵染相关,其中blue模块包含“防御反应”“苯丙烷代谢”等通路(图4)。
    • ZmHIR3与多个防御基因(如BAK1、MLO-like 14)及花青素合成基因共表达(图7-8)。
  2. 代谢物动态变化

    • 抗病系K09中花青素(如petunidin 3-O-glucoside)、脂类衍生物(如9-HOTRE)在72 hpi显著积累(图10)。
    • 感病系A08中色胺衍生物(如serotonin)含量更高,可能与生长-防御权衡相关。
  3. ZmHIR3的功能

    • 突变体对GSR更敏感,病斑面积增加2倍(图11c-f)。
    • 台盼蓝染色显示突变体细胞死亡加剧(图11g),表明ZmHIR3通过调控细胞死亡抑制镰刀菌的坏死营养生长。

五、结论与意义
本研究首次揭示:
1. ZmHIR3的核心作用:该基因通过质膜定位的信号复合体调控细胞死亡和花青素积累,从而抵抗镰刀菌侵染。
2. 阶段特异性抗性机制:早期(6–24 hpi)依赖JA信号激活,后期(48–72 hpi)依赖SA和苯丙烷代谢通路。
3. 应用价值:ZmHIR3可作为分子标记用于抗病育种,花青素代谢物或成为抗性筛选指标。

六、研究亮点
1. 多组学整合:首次联合WGCNA和代谢组解析GSR抗性的时空动态网络。
2. 新基因功能:发现ZmHIR3通过双重机制(细胞死亡调控+代谢重编程)参与抗病。
3. 方法创新:开发了基于共表达网络的“pray基因”筛选策略,提升hub基因鉴定效率。

七、其他发现
镰刀菌侵染早期(24 hpi)可能通过抑制宿主核糖体生物合成(如“核糖体”通路下调)促进感染,这一现象在感病系中更显著(图3h),为病原体-宿主互作提供了新视角。


该报告完整涵盖了研究的背景、方法、结果和意义,并突出了其创新性和应用潜力。

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