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作者及发表信息
本研究由Shuai Wang†, Xiaqing Wang†, Ruyang Zhang等19位作者共同完成，主要来自Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences的玉米研究所（Maize Research Institute）。论文标题为《RPPM, encoding a typical CC-NBS-LRR protein, confers resistance to southern corn rust in maize》，于2022年7月12日发表在期刊Frontiers in Plant Science（DOI: 10.3389/fpls.2022.951318）。
学术背景
研究领域与科学问题
本研究属于植物抗病基因功能解析与分子育种领域，聚焦玉米（Zea mays L.）对南方锈病（Southern Corn Rust, SCR）的抗性机制。SCR由真菌Puccinia polysora引起，是热带和亚热带地区玉米生产的重大威胁，可导致50%以上的产量损失。随着气候变化，SCR已向高纬度地区扩散，亟需挖掘抗病基因并开发分子标记以培育抗病品种。
研究背景与目标
此前，已有19个SCR抗性基因被定位，但仅RppC被克隆（编码NLR蛋白）。本研究从中国优良玉米自交系京2416K（Jing2416k）中鉴定并克隆了一个新的SCR抗性基因RPPM，解析其功能机制，并开发可用于分子标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS）的功能性KASP标记，以加速抗病育种。
研究流程与方法
1. 基因克隆与功能验证
- 研究对象：抗病系Jing2416k与感病系Jing2416、B104（转基因受体）。
- 方法：
- 过表达分析：通过农杆菌介导的转化，将候选基因ORF4和ORF6（位于RPPM位点）导入感病玉米B104，田间接种SCR后表型鉴定。结果显示，仅ORF4过表达植株表现抗性（图1），证实其为RPPM。
- 序列分析：RPPM编码典型的CC-NBS-LRR蛋白（1,042个氨基酸），包含N端卷曲螺旋（Coiled-Coil, CC）、核苷酸结合位点（NBS）和C端富含亮氨酸重复（LRR）结构域（图2）。系统发育分析显示，RPPM与大麦抗白粉病蛋白LR10同源性最高。
2. 表达模式与亚细胞定位
- qRT-PCR：RPPM在玉米各发育阶段和组织中组成型表达，成熟期叶片表达量最高（图3A），与SCR侵染部位一致。
- 亚细胞定位：通过融合GFP标签，发现RPPM蛋白定位于细胞核和细胞质（图3F-M），暗示其可能参与核内免疫信号传导。
3. 转录组分析抗病机制
- 材料：Jing2416k与感病系Jing2416在接种后48天（无症状期）和62天（显症期）的叶片样本。
- 结果：
- 差异表达基因（DEGs）：抗病系中显著上调的基因涉及植物-病原互作（PTI/ETI）、细胞壁强化、抗菌化合物积累及植物激素信号通路（如JA、SA、乙烯）（图4）。
- 关键通路：包括LRR受体（识别病原相关分子模式PAMPs）、MAPK激酶级联、WRKY转录因子、NADPH氧化酶（产生活性氧ROS）等。
4. KASP标记开发与应用
- 标记设计：基于RPPM等位基因中的两个保守SNP（SNP1726和SNP2451），开发KASP标记KM23和KM19。
- 验证：在527个GWAS群体中筛选出13个抗病基因型，基因型与表型完全吻合（图5）。
- MAS育种：利用标记在4个BC3F2群体中成功选育出抗病纯合植株（图6），证实标记的育种应用价值。
主要结果与结论
- 基因功能：RPPM是首个被克隆的CC-NBS-LRR类SCR抗性基因，通过激活PTI/ETI、细胞壁强化及激素信号通路实现抗性。
- 分子机制：RPPM组成型表达于叶片，蛋白定位于核与胞质，可能通过识别病原效应子触发免疫反应。
- 应用价值：开发的KASP标记可精准检测RPPM，显著缩短抗病育种周期。
研究亮点
- 创新性发现：首次克隆CC-NBS-LRR类SCR抗性基因，填补了抗病基因功能研究的空白。
- 方法学创新：结合转录组学与分子标记开发，系统性解析抗病机制。
- 应用导向：功能性KASP标记可直接用于育种，推动抗病品种选育。
其他价值
研究揭示了RPPM介导的多层次防御系统（PTI/ETI协同作用），为理解玉米广谱抗病性提供了新视角。数据已上传至NCBI SRA（PRJNA849153），可供后续研究参考。
（报告总字数：约1,500字）