徐明良教授团队研究首次完整报道玉米抗病QTL克隆和抗病机理 论文在《Nature Genetics》发表

发布时间:2015-10-10 10:30:49     阅读次数:3287

中国农业大学农学与生物技术学院徐明良教授领导的研究团队在玉米抗病研究中取得了重大进展:该课题组历经10年的研究,克隆了玉米抗丝黑穗病的数量性状基因,揭示了抗病机理及分子进化机制。该研究成果以长篇研究论文形式在线发表于12月22日的《自然-遗传学》(Nature Genetics)杂志上。

玉米的栽培面积超过5亿亩,总产逾2亿吨,业已成为我国第一大粮食作物。由于栽培品种遗传狭窄,加上多年的连作、极端气象因素等影响,近年来我国玉米病害呈越演越烈之势,每年造成的产量损失达总产的10%以上。玉米丝黑穗病在全球各地均有发生,我国主要集中在东北、西北、华北和华中等春玉米产区,严重危害玉米生产。病原丝轴黑粉菌(Sporisorium reilianum)在土壤中越冬,种子萌发时即侵入玉米根系,通过中胚轴通道到达地上部组织,一旦进入到顶端花器官分生组织后,即诱发病害症状。由于发病部位是花器官,所以感病植株颗粒无收。长期的抗病研究表明,收集玉米的抗病资源,挖掘抗病基因,通过分子育种培养抗病品种是最经济有效的防治措施。

玉米生产上利用的大部分是数量性状抗性,涉及众多的数量基因位点(QTL)。大量的研究表明数量抗性基因不易被病原菌克服,持久稳定,有很高的利用价值,然而分离和克隆这些QTL极为困难,迄今为止只克隆到一个玉米抗炭疽茎腐病的QTL。针对玉米抗病研究中这一难题,徐明良课题组发展出了利用重组个体后代测定的QTL连续精细定位和克隆策略。利用这一策略在玉米第2染色体上检测到了一个抗丝黑穗病主效QTL,能显著提高25%的抗病率。通过转基因功能互补鉴定证明主效抗病QTL为ZmWAK基因,编码细胞壁相关激酶。在长期的进化过程中,玉米对丝黑穗病的抗性在时间和空间上达到了高度的协调一致。病原丝轴黑粉菌从玉米幼根侵入后,沿着中胚轴营养最丰富的韧皮部组织向上生长,抗病基因ZmWAK则在围绕韧皮部的薄壁细胞中高表达,激活水杨酸依赖的抗病基因,抑制病原菌的顶向生长,从而达到最佳的抗病效果。

这一论文首次完整报道了玉米抗病QTL的克隆和抗病机理的研究,为揭示异化授粉玉米特有的抗病机制奠定了基础。在实践中,通过分子标记辅助导入该基因能够显著提高玉米对丝黑穗病的抗性,具有巨大的应用价值。合作单位吉林省农科院玉米所檀国庆研究员利用ZmWAK基因培育出生产潜力大,高抗的吉单系列品种,已在生产上推广应用。

本课题组左为亮、晁青、张楠为论文共同第一作者。研究得到了国家杰出青年科学基金、"973"和"863"计划等项目的资助。自2003年以来,先后有8位研究生参与,开展了大规模抗病鉴定、基因组学、细胞学、转基因、酶活性等一系列研究,每年仅田间抗病鉴定一项就种植上万株玉米。此外,该项研究还得到了吉林农科院玉米所檀国庆研究员,美国先锋种业李柏林高级科学家,本校赖锦盛教授、杨小红副教授和华中农业大学严建兵教授等课题组的大力支持。