中國農業大學國家玉米改良中心徐明良教授團隊揭示玉米抗病毒基因的作用機理

導讀：今年2月份，中國農業大學國家玉米改良中心徐明良教授領導的研究團隊首次克隆了玉米花葉病毒抗病QTL基因，揭示了基因的功能，探索了抗病分子機理。這一研究對了解單子葉作物抗病毒分子機理、培育抗病毒玉米新品種具有重要意義。該研究成果以「An Atypical Thioredoxin Imparts Early Resistance to Sugarcane Mosaic Virus in Maize」為題2月14日在線發表於Molecular Plant雜誌。半年後，Molecular Plant雜誌再次發表了美國愛荷華州立大學 Thomas Lübberstedt教授和中國農業大學徐明良教授研究團隊經過長期合作的成果「Auxin Binding Protein 1 Reinforces Resistance to Sugarcane Mosaic Virus in Maize」，這項研究通過圖位克隆途徑獲得了另一個玉米抗甘蔗花葉病毒病基因ZmABP1，並對該基因的抗病特性進行了深入的探討，為進一步揭示ZmABP1介導的抗病機制奠定了基礎。

文章解讀：玉米（Zea mays L.）是糧食、飼料和工業原料兼用型作物，在全球範圍內廣泛種植。在我國，玉米的栽培面積超過5億畝，總產逾2億噸，已成為第一大糧食作物。由於栽培品種遺傳基礎狹窄，加上多年的連作、極端氣象因素等影響，近年來我國玉米病害呈越演越烈之勢，每年造成的產量損失達總產的10%以上。在玉米種植面積增長有限的情況下，提高玉米增產潛力，減少生物和非生物脅迫對玉米產量造成的損失，對保障我國糧食安全至關重要。玉米矮花葉病是世界範圍內普遍發生的一種病毒性病害，1919年在義大利首次被發現，該病害在美國、歐洲和我國等地區都曾發生不同程度大流行，對玉米產量造成嚴重損失。在我國該病主要由玉米甘蔗花葉病毒引起，由蚜蟲傳播，藥劑防治困難。因此，挖掘抗病基因，培育抗病品種是控制玉米矮花葉病最經濟有效的措施。

通過大量的遺傳研究， Thomas Lübberstedt教授和中國農業大學徐明良教授研究團隊發現玉米抗矮花葉病有兩個一致性的主效抗性位點，Scmv1和Scmv2，分別位於第6號染色體短臂和第3號染色體的著絲粒附近，二個位點共同存在時表現出高抗。二個研究團隊通過合作已經克隆了Scmv1位點的抗病基因-ZmTrxh，該基因編碼非典型的H型硫氧還蛋白，通過抑制病毒RNA的積累，在侵染的早期表現出抗病。相關結果發表在今年3月份第三期Molecular Plant雜誌上（詳見：歷時20載，中農徐明良團隊克隆首個玉米抗病毒基因）。

圖為感染玉米矮花葉病（左）以及正常生長（右）的玉米葉片

位於第3號染色體的Scmv2效應較小，主要在抗病的後期發揮作用，基因克隆的難度更大、工作量更大。經過多年的抗病QTL精細定位確定了候選基因，通過轉基因功能互補和RNAi干擾等證明Scmv2位點上的抗病基因為ZmABP1，編碼生長素結合蛋白1。抗、感等位基因在轉錄區序列有差異，包含第一內含子上一個524bp的插入/缺失和第一外顯子上的兩個SNP，研究證明這些差異對ZmABP1的抗性和定位沒有任何影響。表達譜分析表明抗病近等基因系中ZmABP1基因的表達量顯著高於感病近等基因系，並且在病毒侵染後期呈顯著上調錶達，從而增強了玉米對SCMV的抗性。同樣，在RNAi干擾，功能互補以及缺失型中間載體等轉基因後代中SCMV抗性與ZmABP1的表達水平呈顯著正相關，表現出劑量效應。啟動子活性分析表明等位基因間啟動子序列的差異影響ZmABP1基因的表達，從而導致抗感差異。通過酵母雙雜、蛋白互作驗證等證實了ZmABP1與ZmRbCS互作，並證明了ZmABP1對病毒 RNA的積累沒有影響，推測ZmABP1可能影響了病毒粒子的系統移動。本研究首次報道了ZmABP1可以在玉米抗甘蔗花葉病毒病中起作用，揭示了ABP1新的功能。

據悉，中國農業大學徐明良教授課題組博士後冷鵬飛博士和愛荷華州立大學吉青博士為論文共同第一作者，該研究得到了RF Baker Center for Plant Breeding at Iowa State University，Danish Research Council and the Danish International Development Agency (DANIDA)，the USAID iAGRI項目以及中國博士後科學基金會的資助。該研究歷經二十餘載，來自中國、丹麥、德國、紐西蘭、美國等多國的研究人員參與其中，多個實驗室協同合作，最終取得了突破性進展。

文章鏈接：http://www.cell.com/molecular-plant/pdf

本文編輯：蒲公英

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