学术研究报告：玉米抗腐霉茎腐病主效QTL Rpsr1的鉴定与功能解析

一、作者与发表信息
本研究由Shengfeng He、Junbin Chen（通讯作者）、Chuang Liu、Dandan Liu、Lei Wang、Canxing Duan及Wangsheng Zhu（通讯作者）合作完成，主要作者单位包括中国农业大学玉米生物育种国家重点实验室、瑞士伯尔尼大学植物科学研究所和中国农业科学院作物科学研究所。研究成果发表于2025年的The Crop Journal（期刊编号：2214-5141），DOI为10.1016/j.cj.2024.12.009，开放获取遵循CC BY-NC-ND 4.0协议。

二、学术背景
玉米茎腐病（Stalk Rot）是由多种病原体（如腐霉菌*Pythium*和镰刀菌*Fusarium*）引起的毁灭性病害，导致植株维管组织损伤、倒伏和减产。中国的主要致病菌为*Pythium aphanidermatum*。培育抗病品种是控制该病害的有效策略，但此前仅少数抗性基因（如*rcg1*、*zmcct*）被克隆，且抗性机制尚未完全阐明。本研究旨在通过定位抗性数量性状位点（Quantitative Trait Locus, QTL）并鉴定其功能基因，为抗病育种提供分子靶点。

三、研究流程与方法
1. 材料与群体构建
- 亲本选择：选用抗病材料草莓爆裂玉米（Strawberry Popcorn, Pop）和感病自交系MS71（玉米嵌套关联作图群体NAM的26个创始系之一）。
- 群体设计：通过杂交构建201个F6代重组自交系（Recombinant Inbred Lines, RILs），用于初定位；后续通过自交衍生F7-F10代群体（共7112株）进行精细定位。
- 近等基因系（Near-Isogenic Lines, NILs）：从RILs中筛选两对杂合家系（HIFs）培育NILs，验证候选区间功能。

1. 遗传图谱与QTL定位

   • 基因分型：采用玉米60K SNP芯片（Dongya Seed）检测RILs群体，过滤低质量SNP后生成2691个重组bin标记，构建总长1595.65 cM的遗传图谱。
     
   • 表型鉴定：在发芽期（接种24 hpi）、苗期（7-14 dpi）和成株期（抽穗期接种）评估抗性，指标包括根腐长度、株高、萎蔫率及茎秆病变评分（1-4级）。
     
   • QTL分析：使用R/qtl软件进行多QTL区间作图，通过1000次置换检验确定LOD阈值（p=0.05），最终在1号染色体211.49-218.36 Mb区间定位到主效QTL Rpsr1，解释23.57%表型变异。
     

2. 精细定位与候选基因筛选

   • 标记开发：基于B73参考基因组v4，在Rpsr1区间设计147对Indel引物，筛选出6个多态性标记用于重组单株分型。
     
   • 区间缩小：通过重组后代测试策略，将Rpsr1缩小至472 kb区间，包含9个高置信基因。
     
   • 表达分析：qRT-PCR检测发现*Zm00001d032116*（编码LRR受体激酶ZmPEPR2）在病原菌接种后于Pop中显著诱导表达，而*Zm00001d032117*（细胞分裂调控蛋白）无差异。
     

3. 功能验证

   • 病毒诱导基因沉默（VIGS）：在B73中沉默*ZmPEPR2*导致病斑面积显著增大，而沉默*Zm00001d032117*无影响。
     
   • CRISPR/Cas9敲除：在KN5585背景中构建两个突变体（*zmpepr2-1*和*zmpepr2-2*），前者缺失366 bp（LRR18-LRR23结构域），后者缺失365 bp（截短蛋白）。接种后突变体在发芽期、苗期和成株期均表现更高感病性，证实*ZmPEPR2*为抗性基因。
     

4. 自然变异分析

   • 等位基因鉴定：在373份玉米自交系中检测到*ZmPEPR2*的57-bp缺失（136份）和8-bp插入（28份），后者与感病性显著相关。
     
   • 机制解析：8-bp插入位于激酶域，导致翻译提前终止；57-bp缺失位于非关键域，仅轻微降低抗性。瞬时表达实验显示，Pop等位基因（无插入）可触发活性氧（ROS）爆发，而MS71等位基因（含4642-bp转座子插入）功能丧失。
     

四、主要结果
1. Rpsr1的遗传效应：Pop等位基因显著降低各生长阶段的感病评分，且抗性呈显性遗传。
2. ZmPEPR2的功能：该基因编码的LRR-RLK（富含亮氨酸重复受体激酶）通过识别内源肽PEP3激活免疫反应，其激酶域完整性对抗性至关重要。
3. 自然变异的应用价值：8-bp插入等位基因（如MS71）需在育种中淘汰，而57-bp缺失等位基因可保留。

五、结论与意义
本研究首次鉴定出玉米抗*Pythium*茎腐病的主效基因*ZmPEPR2*，揭示了PEPR2-PEP3信号通路在抗病中的作用，为分子标记辅助育种提供了靶点。其科学价值在于拓展了植物LRR-RLK家族的功能认知，应用价值在于可通过编辑*ZmPEPR2*或筛选优良等位基因培育抗病品种。

六、研究亮点
1. 创新方法：结合重组后代测试策略与多世代群体（F7-F10），高效精细定位QTL。
2. 功能解析深度：从自然变异、表达调控到基因编辑，多维度验证*ZmPEPR2*功能。
3. 育种指导性：明确有害等位基因（8-bp插入）的分布，为全球玉米种质资源评价提供依据。

七、其他价值
研究还发现*ZmPEPR2*与已报道的抗病基因（如*ZmBGLU17*）可能存在协同作用，为后续抗病网络研究奠定基础。