中美科学家合作揭示玉米抗病毒基因的作用机理丨BioArt推荐

BioArt按 ： 今年2月份，中国农业大学国家玉米改良中心 徐明良 教授领导的研究团队首次克隆了玉米花叶病毒抗病QTL基因，揭示了基因的功能，探索了抗病分子机理。这一研究对了解单子叶作物抗病毒分子机理、培育抗病毒玉米新品种具有重要意义。该研究成果以“An Atypical Thioredoxin Imparts Early Resistance to Sugarcane Mosaic Virus in Maize”为题2月14日在线发表于 Molecular Plant 杂志。半年后， Molecular Plant 杂志再次发表了 美国爱荷华州立大学 Thomas Lübberstedt 教授和中国农业大学 徐明良 教授研究团队经过长期合作的成果“ Auxin Binding Protein 1 Reinforces Resistance to Sugarcane Mosaic Virus in Maize ”，这项研究 通过图位克隆途径获得了另一个玉米抗甘蔗花叶病毒病基因 ZmABP1 ，并对该基因的抗病特性进行了深入的探讨，为进一步揭示 ZmABP1 介导的抗病机制奠定了基础。

论文解读：

玉米（ Zea mays L. ）是粮食、饲料和工业原料兼用型作物，在全球范围内广泛种植。在我国，玉米的栽培面积超过5亿亩，总产逾2亿吨，已成为第一大粮食作物。由于栽培品种遗传基础狭窄，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。在玉米种植面积增长有限的情况下，提高玉米增产潜力，减少生物和非生物胁迫对玉米产量造成的损失，对保障我国粮食安全至关重要。玉米矮花叶病是世界范围内普遍发生的一种病毒性病害，1919年在意大利首次被发现，该病害在美国、欧洲和我国等地区都曾发生不同程度大流行，对玉米产量造成严重损失。在我国该病主要由玉米甘蔗花叶病毒引起，由蚜虫传播，药剂防治困难。因此， 挖掘抗病基因，培育抗病品种是控制玉米矮花叶病最经济有效的措施。

图为感染玉米 矮花叶病（左）以及正常生长（右）的玉米叶片

通过大量的遗传研究， Thomas Lübberstedt教授和中国农业大学徐明良教授研究团队发现玉米抗矮花叶病有两个一致性的主效抗性位点， Scmv1 和 Scmv2 ，分别位于第6号染色体短臂和第3号染色体的着丝粒附近，二个位点共同存在时表现出高抗。二个研究团队通过合作已经克隆了 Scmv1 位点的抗病基因- ZmTrxh ，该基因编码非典型的H型硫氧还蛋白，通过抑制病毒RNA的积累，在侵染的早期表现出抗病。相关结果发表在今年3月份第三期 Molecular Plant 杂志上（ 详见： 历时20载，中农徐明良团队克隆首个玉米抗病毒基因 ）。

位于第3号染色体的 Scmv2 效应较小，主要在抗病的后期发挥作用，基因克隆的难度更大、工作量更大 。经过多年的抗病QTL精细定位确定了候选基因，通过转基因功能互补和RNAi干扰等证明 Scmv2 位点上的抗病基因为 ZmABP1 ，编码生长素结合蛋白1。抗、感等位基因在转录区序列有差异，包含第一内含子上一个524bp的插入/缺失和第一外显子上的两个SNP，研究证明这些差异对 ZmABP1 的抗性和定位没有任何影响。表达谱分析表明抗病近等基因系中 ZmABP1 基因的表达量显著高于感病近等基因系，并且在病毒侵染后期呈显著上调表达，从而增强了玉米对SCMV的抗性。同样，在RNAi干扰，功能互补以及缺失型中间载体等转基因后代中SCMV抗性与ZmABP1的表达水平呈显著正相关，表现出剂量效应。启动子活性分析表明等位基因间启动子序列的差异影响ZmABP1基因的表达，从而导致抗感差异。通过酵母双杂、蛋白互作验证等证实了ZmABP1与ZmRbCS互作，并证明了ZmABP1对病毒 RNA的积累没有影响，推测ZmABP1可能影响了病毒粒子的系统移动。本研究首次报道了ZmABP1可以在玉米抗甘蔗花叶病毒病中起作用，揭示了ABP1新的功能。

据悉，中国农业大学徐明良教授课题组博士后 冷鹏飞 博士和爱荷华州立大学 吉青 博士为论文共同第一作者，该研究得到了RF Baker Center for Plant Breeding at Iowa State University，Danish Research Council and the Danish International Development Agency (DANIDA)，the USAID iAGRI项目以及中国博士后科学基金会的资助。 该研究历经二十余载，来自中国、丹麦、德国、新西兰、美国等多国的研究人员参与其中，多个实验室协同合作，最终取得了突破性进展。