玉米病害是限制玉米產(chǎn)量和穩(wěn)定生產(chǎn)的主要因素之一。玉米小斑病(southern leaf blight, SLB)、大斑病(northern leaf blight, NLB)和灰斑病(gray leaf spot, GLS)等真菌性葉部病害在全球各玉米產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生，對糧食安全構(gòu)成威脅。與單基因抗性相比，由多基因控制的數(shù)量抗性(quantitative resistance)通常更為持久和穩(wěn)定，但其遺傳基礎和分子機制仍有待系統(tǒng)解析。

近日，北卡羅來納州立大學Peter Balint-Kurti課題組聯(lián)合西北農(nóng)林科技大學楊琴教授課題組在New Phytologist發(fā)表研究論文The maize mitogen-activated protein kinase kinase kinase geneZmMAPKKK45is associated with multiple disease resistance，通過全基因組關聯(lián)分析(GWAS)結(jié)合遺傳與分子實驗，揭示了ZmMAPKKK45 與多種葉部病害抗性存在顯著關聯(lián)。

研究團隊利用包含 270 個玉米自交系的自然群體，在多個環(huán)境條件下系統(tǒng)鑒定了玉米小斑病抗性表型，并基于高密度 SNP 標記開展了全基因組關聯(lián)分析。結(jié)果共鑒定出 14 個與 SLB 抗性顯著相關的 SNP 位點，其中多數(shù)與此前報道的數(shù)量抗性位點(quantitative resistance loci, QRL)高度重疊。值得注意的是，在玉米 3 號染色體上，多個顯著關聯(lián)的 SNP 位于 ZmMAPKKK45上，提示該基因與 SLB 抗性相關。

進一步的功能分析表明，ZmMAPKKK45 的表達水平與玉米小斑病抗性呈正相關關系。在 ZmMAPKKK45 啟動子轉(zhuǎn)座子插入突變體中，該基因的表達量顯著降低，植株對 SLB 的抗性同步下降；相反，在易感自交系背景 B104 中過表達 ZmMAPKKK45，可顯著增強植株對 SLB 的抗性(圖1)。此外，將 ZmMAPKKK45 過表達材料與突變體雜交后發(fā)現(xiàn)，過表達等位基因的導入能夠顯著恢復突變體中受損的抗性水平，進一步支持 ZmMAPKKK45 參與調(diào)控SLB抗性。

圖1: ZmMAPKKK45 突變降低玉米對小斑病的抗性

盡管ZmMAPKKK45編碼一類 Raf 亞家族的 MAPKKK 蛋白。但是研究發(fā)現(xiàn)ZmMAPKKK45 并未通過經(jīng)典的 MAPK 級聯(lián)反應發(fā)揮作用。改變ZmMAPKKK45的表達，不會影響MAPK3/6的磷酸化水平，也不會影響下游防御相關基因的表達。相反，該基因與活性氧(reactive oxygen species，ROS)的積累密切相關。在 ZmMAPKKK45 突變體中，病原菌和幾丁質(zhì)誘導的 ROS 生成顯著減弱；而在 ZmMAPKKK45 過表達材料中，ROS 積累則明顯增強，并伴隨著多種 NADPH 氧化酶基因(ZmRBOHs)表達水平的上調(diào)。這些結(jié)果提示，ZmMAPKKK45 可能通過影響 ZmRBOHs 的表達，進而調(diào)節(jié) ROS 的生成，從而參與玉米的抗病反應。同時，該結(jié)果暗示了ZmMAPKKK45可能與多種病害抗性相關。

田間實驗顯示，突變ZmMAPKKK45不僅影響玉米對小斑病的抗性，還顯著降低玉米對大斑病和灰斑病的抗性(圖2)。這說明 ZmMAPKKK45 影響玉米對多種葉部真菌病害的抗性。

圖2: ZmMAPKKK45 調(diào)控玉米對大斑病和灰斑病的抗性

綜上，該研究從群體遺傳學、分子遺傳學和生理生化等多個層面，闡明了 ZmMAPKKK45 與玉米多種葉部病害抗性之間的關系，為理解 MAPKKK 家族在作物免疫中的非經(jīng)典功能提供了新視角，也為抗病分子設計育種提供了重要候選基因資源。

北卡羅來納州立大學鐘濤博士為本研究第一作者，Peter Balint-Kurti博士為通訊作者，西北農(nóng)林科技大學楊琴教授為共同第一作者及共同通訊作者。USDA-ARS的James Holland博士為研究提供了指導。本研究得到USDA-ARS和NSF的資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1111/nph.70828